分享：相同硬度的高钴和低钴含量硬质合金性能比较
摘 要:为了确定某些矿用硬质合金的选用原则,分析了具有相同硬度、不同高钴和低钴含量硬 质合金的性能差异,制作了硬度约为89.5HRA 的 YG8T 低钴粗颗粒和 YG18T 高钴细颗粒硬质 合金。采用金相检验、力学性能测试等方法分析了两种合金的性能,对两种合金的断裂韧性和耐磨 性进行了检测,结果表明:相同硬度的低钴粗颗粒硬质合金的耐磨性更好,高钴细颗粒硬质合金具 有更好的抗折断能力。
关键词:硬质合金;低钴粗颗粒;高钴细颗粒;耐磨性;断裂韧性
中图分类号:TH87;TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)06-0021-05
硬质合金是由高熔点的金属化合物和金属黏结 剂经粉末冶金方法制成的,具有硬度高、耐磨性好、 化学稳定性好、热稳定性好等特点,并且还具有一定 的韧性。硬质合金被广泛应用于切削工具、采矿设 备以及金属密封等领域[1]。通常要求硬质合金具有 承载能力好、耐磨性好、抗冲击能力强等特点[2]。低 钴粗颗粒和高钴细颗粒硬质合金具有高耐磨性与强 韧性[3]。孔德方等[4]在原料粉末粒度为0.8μm,钴 的质量分数为10%的碳化钨(WC)细晶硬质合金中 加入不同量的4μm~11μm 粒度的 WC粉末,考察 细晶硬质合金中粗晶粒的含量和粗晶尺寸对细晶硬 质合金性能的影响,发现细晶硬质合金中粗晶 WC 粒度小于10μm,粗晶体积分数小于0.29%,合金的 综合性能可达到未含粗晶 WC 合金的性能。郭圣 达等[5]对不同钴含量的粗晶硬质合金生产过程的各 个环节进行了研究,发现钴含量越低,合金硬度越 高;孔隙率越小,晶粒分布越均匀,合金强度和硬度 越高。闫明远[6]等在细颗粒 WC 中逐渐增加粗颗 粒 WC含量,以找到粗细颗粒搭配量对合金性能的 影响,发现对于钴的质量分数为7%的 WC 硬质合 金,当粗颗粒 WC 质量分数为50%时,合金的综合 力学性能最佳。在实际使用中,主要要求合金具有 高的抗折断能力和高的耐磨性。
笔者制作了两种硬度相同的低钴粗颗粒硬质合金和高钴细颗粒硬质合金,比较相同硬度下低钴粗 颗粒硬质合金和高钴细颗粒硬质合金的性能,并评 估其耐磨性和抗折断能力,采用金相检验、力学性能 试验等方法对这两种硬质合金的选用原则进行了 分析。
1 材料的配制
制作了含钴的质量分数分别为 8% 和 18% 的 WC硬质合金,分别命名为 YG8T 和 YG18T,硬度 为(1300±50)HV。
YG8T 中 WC 粉 (WC-1)的 费 氏 粒 度 为 2.8μm,YG18T 中 WC 粉 (WC-2)的 费 氏 粒 度 为1.6μm;两者采 用 的 钴 粉 费 氏 粒 度 均 为 1.11μm。 由于 YG18T 的粉料太细,需增加晶粒长大抑制剂 碳化钽(TaC),其费氏粒度为1.45μm。粉料的化 学成分如表1所示[7-9]。
采用小罐球磨筒进行配料,以钴为黏结剂、石腊 为成形剂,为了使 YG8T 和 YG18T 的硬度相同,需 将碳元素的质量分数控制为6.11%和6.08%,所以 YG18T 的配料中需加质量分数为0.4%的钨粉。每 罐加 0.27 L 酒 精,0.025kg 石 腊,0.17g 油 酸 (0.2mL),料球比为1∶1,装填系数为0.5,球磨时间 为48h,YG8T 和 YG18T 的混合配料成分如表 2 所示。
混合料经过滤、烘干、擦筛、制粒等工序形成可压 制料,在 DORST型双向压机上按制好的模具压制试 样,压力为150MPa~200MPa,制备10个横向断裂 强度试样用于检测横向断裂强度(抗弯强度),10个 冲击韧性试样用于检测冲击韧性,4个方形试块用于 金相检验以及硬度、密度、粒度等测试,6个磨损试样 用于检测材料的耐磨性。将压制好的料各配在两炉 中烧结,不同晶粒度的硬质合金不放在同一炉中。配 炉采 用 低 压 烧 结,烧 结 温 度 分 别 为 1480℃和 1410℃,加压压力为5MPa。
2 试验方法
将烧结出来的试样在 DY618S 型平面磨床和 120 # 金刚石砂 轮 上 进 行 粗 磨,再 用 消 磁 器 进 行 消 磁。将方 形 试 块 用 酒 精 进 行 清 洗、吹 干 后,采 用 BSA-224S-DS1型密度仪。按照 GB/T3850—2015 《致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法》的规定测试试样的密度;采用 YSK-IV 型矫顽磁力计,按 照 GB/T3848—2017 《硬质合金 矫顽(磁)力测定 方法》测试试样的矫顽力;采用 MCoMT-Ⅱ型钴磁 测量仪,按照 GB/T23369—2009《硬质合金磁饱和 (MS)测定的标准试验方法》测量试样中钴的含量。
将方形试样用 DK7735 型线 切 割 机 切 成 尺 寸 (长×宽×高)为20mm×20mm×15mm 的小方 块,在 CASTN Vac1000型真空镶嵌机上采用环氧 树脂对试样进行镶嵌;用 EcoMet300/AutoMet300 型金相抛磨机进行粗磨、精磨、研磨和抛光;用消磁 器进行消磁;将试样浸泡在乙醇中,在 SK8200HP 型超 声 波 清 洗 器 中 进 行 清 洗。 经 吹 干 后,按 照 GB/T3489—2015《硬质合金 孔隙度和非化合碳的 金相测定》的要求用 OLYMPUSBX51RF型光学显 微镜进行孔隙度和非化合碳的测定。采用体积分数 均为20%的铁氰化钾和氢氧化钾水溶液的混合溶 液作为腐蚀剂,对试样抛光面按时间长度进行轻度、 中度和重度腐蚀,并分别清 洗 吹 干 后,按 照 GB/T 3488.1—2014《硬质合金 显微组织的金相测定 第1 部 分:金 相 照 片 和 描 述 》的 规 定 用 OLYMPUS BX51RF型光学显微镜进行η相、γ相、α相的测定; 采用 Quanta650型扫描电镜(SEM)对试样进行分 析,按照 GB/T 3488.2—2018《硬质合金 显微组织的金相测定 第2部分:WC 晶粒尺寸的测量》的规 定测量合金中 WC组织的晶粒度。
将方块试样的未腐蚀部位放置在 Rockwell574 型洛氏硬度计上,按照 GB/T3849—1983 《硬质合 金洛氏硬度(A 标尺)试验方法》测量试样的洛氏硬 度,再 在 THVS-30 型 数 显 维 氏 硬 度 计 上,按 照 JB/T12616—2016《硬质合金刀具基体材料断裂韧 性检测方法》的规定测试断裂韧性。
横向断裂强度试样精磨后的尺寸(长×宽×高) 为(20±1)mm×(6.5±0.25)mm×(5.25±0.25)mm, 表面粗 糙 度 Ra ≤0.4μm,为 B 型 试 样,在 跨 度 为 (14.5±0.5)mm 的 WDW-100KN型硬质合金抗弯强 度专用试验机上,按照 GB/T3851—1983《硬质合金 横向断裂强度测定方法》的规定测试试样的横向断裂 强度。
冲击试样精磨后的尺寸(长×宽×高)为(50± 1)mm×(5.0±0.3)mm×(5.0±0.3)mm,表面粗 糙度Ra≤0.8μm,砧座跨距为30mm,在ZBC8501- C(15,25J)型 悬 臂 梁 冲 击 试 验 机 上,按 照 GB/T 1817—1995《硬质合金常温冲击韧性试验方法》测 量试样的冲击韧性。
按照ISO28080:2021—2021 《硬质合金 硬质 合金的磨损试验》的要求进行试样的磨损试验。磨 损试样的尺寸(长×宽×高)为50mm×25 mm×8mm,对试样进行粗磨后,采用标乐牌金相抛磨机 进行精磨,试样表面平面度不大于125μm,试样表 面粗糙度Ra≤0.8μm,将磨损试样嵌入干砂橡胶轮 式磨损试验机的夹具中,施加于试样的法向载荷为 (130±4)N;磨 料 采 用 砂 粒 磨 圆 度 好、无 棱 角,且 SiO2 的质量分数大于98%的铸造用硅砂,粒径为 40~70目,落砂流速为(126±5)g/min,用超声波 清洗后称取质量,并计算前后质量差,即为该试样的 磨损值。
3 试验结果与分析
YG8T 和 YG18T 两种合金的力学性能如表3 所示,由 表 3 可 知:为 了 保 证 低 钴 YG8T 与 高 钴 YG18T 两种合金具有相同的硬度,其 WC 颗粒的 晶粒度必然有差异,分别为中颗粒和亚微细颗粒; YG8T 的冲击韧性达到了8.96J/cm 2,这比常规的 YG8合金高50%。两种合金的微观形貌分别如图 1,2所示。两种合金的 A 类孔隙级别为 A02,无 B 类孔隙,合金的致密度高,这是由于采用了低压烧 结,YG8T 合 金 的 密 度 达 到 理 论 密 度 的 99.75%, YG18T 的密度达到理论密度的99.87%。这两种合 金的矫顽力也有差别,但相差不是很大,这与保证具 有相同的硬度有关,并且由于 YG8T 合金的晶粒度 大些,钴元素含量低些,所以磁力相应小些。
钨钴类硬质合金的横向断裂强度和冲击韧性与 合金的晶粒度及孔隙率正相关,WC 的晶粒越细, WC晶粒与 Co元素的接触面越大,Co元素的平均 自由程越小,合金的孔隙率降低,合金的横向断裂强 度和冲击韧性增大。这两种材料性能差别最大的是 图2 YG18T合金的微观形貌 横向断裂强度和冲击韧性。由于在检测材料的横向 断裂强度和冲击韧性时,都需要将试样压断和打断, 因此中颗粒的 YG8T 合金中 WC晶粒较粗,试样断 裂表 现 为 WC 的 穿 晶 断 裂。 由 于 亚 细 颗 粒 的 YG18T 合金中 WC 晶粒较细,试样条的断裂表现为沿晶断裂,所以亚细颗粒的 YG18T 具有比中颗 粒的 YG8T 更高的横向断裂强度和冲击韧性[10], YG8T 合金的穿晶断裂和 YG18T 合金的沿晶断裂 微观形貌如图3,4所示。
从横向 断 裂 强 度 和 冲 击 韧 性 这 两 项 指 标 看, YG8T 的横向断裂强度比 YG18T 的横向断裂强度 低51%,而 YG8T 的冲击韧性比 YG18T 的冲击韧 性低63%,YG8T 合金比 YG18T 合金更容易断裂。 在使用矿用合金时,并不要求将合金进行强力冲断, 而是要考察合金的抗折断能力,所以矿用合金的抗 断裂能力并不是根据这两项指标进行判断的,而主 要是根据合金的断裂韧性确定合金的抗断裂能力。 这两种合金的断裂韧性相差不到3%,其断裂韧性检测结果如表4所示,由表4可知:这两种合金的抗 断裂能力是同一等级的。这是由于中颗粒 YG8T 的 WC晶粒比 YG18T 的 WC 晶粒粗,当被尖锐金 刚石压头压裂后,出现裂纹的偏转和分叉现象,从而 使断裂面表面积增大,断裂韧性也增大[11]。高硬度 的 YG18T 合金也具有较高的断裂韧性,主要原因 在于 TaC的固溶强化作用,TaC 颗粒在 Co黏结相 中扩散和溶解,对 Co黏结相起到了强化作用,当尖 锐金刚石压头使其产生初始裂纹后,裂纹将会发生 偏转而消耗更多的能量,从而提高了断裂韧性。并 且 TaC本身具有较高的韧性,也能对合金起到增韧 作用,所以虽然 YG18T 合金与高钴类合金相比有 更高的硬度,但其断裂韧性却并没有降低。
两种合金的磨损试验结果如表5所示,由表5 可知,两种 合 金 的 耐 磨 性 相 差 1.6%,属 于 同 一 等 级,YG8T 的 耐 磨 性 比 YG18T 稍 高,这 是 因 为 YG8T 的硬度比 YG18T 稍高,对于硬质合金,可以 用硬度衡量其耐磨性,两者具有一定的线性对应关 系。从磨损机理上看,中颗粒的 YG8T 主要表现为 WC颗粒的塑性变形导致材料的去除;而亚细颗粒 的 YG18T 主要 表 现 为 钴 相 的 去 除 导 致 WC 的 脱 落[12]。总之,相同硬度的低钴粗颗粒合金与高钴细 颗粒合金具有几乎相同的耐磨性,如果优先需要考 虑耐磨性,就优先选用低钴粗颗粒合金,且从合金烧 结的性能稳定性看,低钴粗颗粒合金比高钴细颗粒 合金性能稳定。如果优先需要考虑抗折断能力,就 优先选用高钴细颗粒合金,高钴细颗粒具有稍好的 抗折断能力。
4 结论
(1)相同硬度的低钴粗颗粒与高钴细颗粒的硬 质合金相比,低钴粗颗粒合金具有更好的合金烧结 性能稳定性;为了保证晶粒不长大,高钴细颗粒合金 在烧结时需加入抑制剂。
(2)相同硬度的低钴粗颗粒与高钴细颗粒硬质 合金相比,低钴粗颗粒合金具有更低的钴含量和钴 磁、更高的密度和更大的晶粒度;两种合金具有相同 孔隙率和几乎相同的矫顽力,且非化合碳含量和 η 相含量均为0。
(3)相同硬度的低钴粗颗粒与高钴细颗粒硬质 合金相比,低钴粗颗粒合金具有更低的抗弯强度和 冲击韧性;两者的断裂韧性和耐磨性几乎相同,但低 钴粗颗粒合金的耐磨性稍高,高钴细颗粒合金的抗 折断能力稍高。
(4)如果需要优先考虑耐磨性,可优先选用低 钴粗颗粒硬质合金;如果需要优先考虑抗折断能力, 可优先选用高钴细颗粒硬质合金,高钴细颗粒硬质 合金具有稍好的抗折断能力。
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