可还原氧含量对WC-0.5%TaC-10.5%Co性能及微观组织影响

张旭辉,刘 伟,刘小胡,时凯华,闵召宇

(自贡硬质合金有限责任公司刀片分厂,四川自贡643000)

可还原氧含量对WC-0.5%TaC-10.5%Co性能及微观组织影响

张旭辉,刘 伟,刘小胡,时凯华,闵召宇

(自贡硬质合金有限责任公司刀片分厂,四川自贡643000)

将WC-0.5%TaC-10.5%Co的原料压制成样块,并将样块进行增氧处理,然后将样块放在一体化ZYL-ZA500真空脱蜡真空烧结炉中烧结。通过对烧结合金进行分析检测,比较发现:当压坯中还原氧含量低于0.31%时,对硬质合金的金相组织、硬度没有影响;而对于样块的钴磁则随着压坯中可还原氧含量的降低,磁力则随着氧含量的增加而增加。

增氧;硬质合金;氧含量;真空烧结

1 引言

在硬质合金生产过程中,原料中的碳对硬质合金的性能、微观组织有着极其重要的影响,而氧含量一直是作为杂质元成分存在。在生产现场,当原料碳量一定,烧结工艺一定时,压坯中的氧含量就是一个影响产品性能以及微观组织的主要因素。国内外学者[1-4]对碳含量的变化与抗弯强度、矫顽磁力和硬度的关系研究得较多,而氧含量的变化对硬质合金的性能以及微观组织的研究则较少。本文通过真空烧结方法,研究了不同氧含量压坯的钴磁、矫顽磁力、硬度以及微观组织的影响,希望对硬质合金的质量控制有指导作用。

2 试验

2.1 样品的制备

试验样品用WC-0.5%TaC-10.5%Co的原料并压制成15.6mm×15.6mm× 7.2mm试样,共6组,每组4片。将这些样块在现场放置不同的时间,样块的可还原氧含量随着放置时间的不同变得不同。通过对这6组样块的化学成分进行分析,其化学成分如表1所示。

2.2 实验过程

将已经制备好的样块通过卡尔菲休定氧剂测定出样块中的可还原氧含量,选择ZYLZA500真空烧结炉将6组压坯烧成合金,工艺条件为:采用真空脱蜡,待脱蜡完成,升温到烧结温度1 390℃,然后保温90min冷却到室温将样块取出进行检测。

表1 样品化学成分

2.3 检测分析

样块的钴磁是用ACom T型全自动钴磁测量仪检测检测,矫顽磁力是用Coercimeter 93-I型磁力测量仪检测,金相组织是用LEICADMI5000数码金相显微镜检测观察,金相腐蚀采用等体积的20%氢氧化钠溶液和20%铁氰化钾溶液的混合液,硬度的测量采用TH320型数显洛氏硬度计。

3 实验结果讨论

3.1 样块的钴磁和磁力性能的分析

图1显示出了6组样块的钴磁、矫顽磁力的性能与样块中可还原氧含量直接的关系。对于样块的钴磁而言,随着可还原氧的含量增加,样块的钴磁呈下降趋势,在这个变化的过程中,可还原氧含量增加了0.08%,钴磁下降了0.04%。Micheal Sommer研究表明,在1 000℃的温度下,可还原氧经过一系列的化学反应后,将夺去WC表层一部分碳,并以CO2和CO的形式溢出,造成局部贫碳,这时,在Co的作用下,η碳化物开始形成[5],从而导致样块的钴磁降低。而可还原氧含量变化范围比较小,能夺取的碳也是相当有限的,所以钴磁的变化范围比较微小。矫顽磁力则随着可还原氧含量的增加而增加,其增量为0.2k A/m。矫顽磁力主要跟合金的WC晶粒度、钴含量以及总碳含量有关[6],而在烧结过程中,合金中的总碳随着氧含量的增多而减少,造成样块的矫顽磁力随着可还原氧含量的增加而增加。

图1 可还原氧含量与硬质合金的钴磁、磁力的关系

3.2 样块的硬度分析

图2给出了可还原氧含量与洛氏硬度之间的关系。由图可知,在6组样块中,随着可还原氧含量的变化,样块的硬度在91.8附近波动,但总体上差别不大。陈楚轩等人研究表明,硬质合金的硬度主要与钴含量、WC的晶粒度、碳含量以及使用温度这四个因素相关。当合金的晶粒度和碳含量相同时,合金的硬度随着钴含量增加3%而降低1HRA;当钴含量相同时,合金硬度随WC晶粒度增加而降低;合金的碳含量会引起合金金相和钴相成分的变化,缺碳时,产生硬脆的η相,合金硬度增高,碳量过量时,产生软相石墨夹杂,硬度降低;各种不同钴含量的合金硬度随温度的升高而降低[7]。在本实验中,试样的初始钴含量、WC的晶粒度、碳含量是相同的,样块的硬度是在室温下进行检测,而还原氧含量的增量为0.08%,对样块中的钴和碳含量的影响很微小,所以样块的硬度没有变化,即可还原氧含量的变化为0.08%时,对 WC-0.5%TaC-10.5%Co合金的硬度没有影响。

图2 可还原氧含量与洛氏硬度之间的关系

3.3 金相分析

图3(a～f)是六组样块的金相图片,这6组图片显示出样块的晶粒度相差不大,因为合金中的WC粒度主要和混合料中WC粒度及分布、烧结温度、烧结时间、混合料中碳含量、混合料中的钴含量以及抑制剂有关,混合料中WC粒度相差越大,WC越易长大;烧结温度越高、烧结时间越长、碳含量越高、钴含量越高WC越易长大。在本实验中,样块的WC粒度及分布、烧结温度、烧结时间、钴含量以及抑制剂是相同的,而可还原氧含量变化是微量的,样块中的碳含量变化几乎相同,因而样块的粒度不会有太大差别。

图4(a～f)WC粒径分布直方图也说明了WC粒度相差不大。这六组样块的WC晶粒度分布在2.0μm这个级别之下,都以0.5μm～1.0μm分布最多,在38%附近波动,而6组样块的平均晶粒度在0.68μm～0.72μm之间,相差不大。这也进一步证明在WC初始晶粒度分布相同的情况下,可还原氧含量增量为0.08%时,对样块的微观组织几乎没有影响。

4 结论

研究以WC-0.5%TaC-10.5%Co为对象,采用传统粉末冶金方法制备了一系列样品,并通过在空气中放置获取了不同氧含量的压坯,经过磁性能、力学性能和微观结构的观察,发现了压坯氧含量对硬质合金的性能影响,得出结论如下:

(1)压坯中的可还原氧含量的变化会对压坯的钴磁和磁力有一定影响,当可还原氧的含量增量为0.08%时,WC-0.5%TaC-10.5 %Co硬质合金的钴磁会降低0.04%,磁力会升高0.2k A/m。

(2)压坯中的可还原氧含量在0.23%～0.31 %变化时,使用相同的烧结工艺烧结之后,6组压坯的硬度、微观组织以及WC的粒径都相差不大,这说明压坯中的可还原氧含量对WC-0.5%TaC-10.5%Co的硬度、微观组织以及WC的粒径没有影响。

图3 样品金相照片

图4 样品WC粒径分布直方图

[1] 肖逸锋,等.碳含量对缺碳硬质合金组织和性能的影响[J].中国有色金属报,2007,17(1): 39-44.

[2] 王社权.影响超细硬质合金性能的几个因素[J].硬质合金,2000,17(1):9-12.

[3] 张卫兵.WC、Co质量对超细硬质合金性能影响的研究[J].硬质合金,2003,20(3):157 -160.

[4] 张梅琳,等.超细及纳米硬质合金中碳含量的变化及对组织性能的影响[J].材料导报,

2006,20(8):65-68.

[5] 颜 杰,等.硬质合金中的增氧反应及其影响[J].硬质合金,2006,23(4):218-221.

[6] 陈楚轩.硬质合金质量控制原理[M].2008: 137-139.

[7] 陈楚轩.硬质合金质量控制原理[M].2008: 131-132.

Effect of Reducible Oxygen Contents on Properties and Microstructure of WC-0.5%TaC-10.5%CoCemented Carbide

ZHANG Xu-hui,LIU Wei,LIU Xiao-hu, SHI Kai-hua,MIN Zhao-yu
(Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd.,Zigong 643011,Sichuan,China)

The raw material of WC-0.5%TaC-10.5%Co were pressed into green blanks,and increased oxygen contents in the blanks.Then,the blanks were put into ZYL-ZA500 vacuum sintering furnace and sintered.After sintering,the sintered blanks were determined and the results were analyzed.It is found that when the content of the reducible oxygen below 0.31%,it mad no effect on the metallurgical structure and hardness of the blanks;the Cobalt magnetic decreased with increase of reducible oxygen;the Magnetic increased with the increase of reducible oxygen. Key words:oxygenation;cemented carbide;oxygen content;vacuum sintering

TF125.3

:A

1001-5108(2015)04-0027-05

张旭辉,助理工程师,从事硬质合金烧结。