烧结温度对WC-6.1Co超粗合金微观结构及性能的影响

廖 军,蒋 阳,李重典,闵召宇,徐志超,鲁颖炜

(1.合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥230009; 2.自贡硬质合金有限责任公司,四川自贡643011)



烧结温度对WC-6.1Co超粗合金微观结构及性能的影响

廖 军1,2,蒋 阳1,李重典2,闵召宇2,徐志超2,鲁颖炜1

(1.合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥230009; 2.自贡硬质合金有限责任公司,四川自贡643011)

摘 要:采用传统的低压烧结工艺制备了WC-6.1Co超粗硬质合金,并通过光学金相观察和力学、物理性能检测研究了烧结温度对该硬质合金的微观结构以及性能的影响规律。结果表明:低压烧结制备的合金中WC晶粒度随烧结温度的升高而增大,WC晶粒孔隙始终较少,且棱角较鲜明,组织发育完整。此外,虽然磁力和导热系数随烧结温度的升高分别单调下降和增加,但烧结温度为1 430℃时,WC-6.1Co超粗硬质合金的强度和硬度较高,具有最优的综合性能。

关键词:超粗硬质合金;烧结温度;微观结构;性能

1 引言

WC-Co硬质合金由于具有高的硬度、强度以及高的杨氏模量而在很多领域得到了广泛的应用,例如机械加工用刀具、耐磨零件、石油、矿山开采和模具等领域[1]。超粗晶硬质合金是目前世界硬质合金主要技术进展代表之一,呈现出从单纯的材料制备技术向注重材料应用研究转变的趋势[2]。与钴含量相当的其他晶粒度合金相比,这种合金因具有更高的断裂韧性、热传导性以及抗热疲劳性[3-4],因此被广泛用于采矿、轧辊、凿岩等场合,市场前景广阔。瑞典、英国、德国、意大利等国家在很早就对粗晶粒硬质合金进行了研究,通过平衡钴的质量分数和WC颗粒大小,可获得韧性和硬度匹配良好的硬质合金,并且已经产业化[5]。国内近几年才开展超粗硬质合金方面的研究,公开报道的文献不多。主要研发生产公司有株洲硬质合金有限公司、自贡硬质合金有限责任公司、厦门金鹭特种合金有限公司、苏州江钻新锐硬质合金有限公司等。

在硬质合金的实际生产过程中,烧结温度对其性能有至关重要的影响,现以WC-6.1Co硬质合金材料为研究对象,采用传统粉末冶金方法制备了一系列试样,通过对性能及微观结构的检测与观察,探讨了烧结温度对超粗晶硬质合金性能及微观组织的影响。

2 实验方法

2.1 实验原料

实验用的WC粉末由自贡硬质合金有限责任公司生产,球形Co粉由上海百洛达公司生产,实验原料的关键技术参数见表1所示。

表1　实验用粉末原料的关键技术参数

2.2 试样制备

试样制备采用传统粉末冶金方法,具体的制备工艺为:将原始粉末WC、Co按试验配方称好后倒入硬质合金球磨罐中,装入直径约为6.35mm硬质合金球(ISO:K20),用滚动球磨机湿磨,转速为63rpm;己烷加量为380ml/kg,球料比2∶1,加入2.0wt％的石蜡作为成型剂,球磨时间14h。球磨结束后,料浆过筛后经真空干燥制得粒料。利用60t单柱液压机压制直径为15mm的试样,压制压力180MPa,随后,所有压坯均摆放在石墨舟皿上,并置于低压烧结炉中。采用不同烧结温度烧结时,压力维持在5.0 MPa,时间固定为90 min,具体样品的烧结温度如表2所示。

2.3 性能检测

采用排水法测定合金试样密度,合金试样的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。利用德国莱卡公司生产的DMl5000M型金相显微镜观察合金金相,和日本三丰公司生产的ARK-600型洛氏硬度计测量合金的洛氏硬度(载荷60kgf,保荷时间5s)。利用德国KOERZEMAT 1.096型矫顽磁力仪测合金矫顽磁力,法国塞塔拉姆公司生产的D6025型钴磁仪测定硬质合金的钴磁。利用英国Hot Disk AB公司生产的Hot Disk TPS2500S型热常数分析仪,采用瞬变平面热源法(TPS)技术测量硬质合金的热导系数,测量的原理和方法已有文献报道阐明[6]。

表2　WC-6.1Co合金的烧结温度

3 结果与分析

3.1 硬质合金的矫顽磁力和硬度

不同烧结温度制备的合金矫顽磁力和硬度检测结果见图1所示。

图1　WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金矫顽磁力和硬度与烧结温度的关系

从图1可以看出,WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金矫顽磁力随烧结温度升高而降低,合金的硬度随烧结温度升高呈现出先升高后降低的趋势。矫顽磁力与WC晶粒大小成反比:当钴含量一定时,钴相的分散程度随着碳化钨晶粒变细而提高,矫顽磁力也随之增大,因此矫顽力可以作为间接衡量WC晶粒大小的指标[6],晶粒粗,矫顽磁力则低。随着烧结温度升高,晶粒出现长大,合金矫顽磁力降低。烧结温度从1 360℃升高1 400℃,合金中WC晶粒长大不显著,烧结温度提高,粘结相分布更加均匀,同时粘结相中W、C原子固溶量增加,钴相得到强化,故合金硬度随烧结温度升高而升高;烧结温度从1 400℃升高到1 480℃,合金中WC晶粒长大充分,根据Hall-Petch定律[7],合金硬度随烧结温度升高而降低。

3

.2 硬质合金密度和抗弯强度

WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金的密度和抗弯强度与烧结温度的关系见图2所示。

图2　WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金密度和抗弯强度与烧结温度的关系

从图2可以看出,WC-6.1Co超粗硬质合金随烧结温度的升高其密度值变化不大;硬质合金的抗弯强度随烧结温度升高呈现先增长至最大值后降低的趋势,合金抗弯强度在1 420℃出现最大值,达到2 440MPa。这可以从合金的金相结果(见表3)以及金相照片(见图4)找到原因,当烧结温度低于1 420℃时,随烧结温度的升高,合金粘结相分布更加均匀、组织均匀性得到提高,合金抗弯强度呈现升高的趋势[8];当烧结温度高于1 420℃时,合金粘结相分布变得恶化、出现较多粗大WC晶粒,合金组织均匀性变差,根据铃木寿的强度研究结论[9],合金中的缺陷如孔洞、脆性脱碳相、游离碳以及粗大WC晶粒会使硬质合金的抗弯强度值降低,这些缺陷的尺寸越大,抗弯强度的降低幅度就越大,故合金抗弯强度随烧结温度的提高而呈现降低的趋势。

3.3 硬质合金导热系数

超粗WC-6.1Co硬质合金矫顽磁力与导热系数的关系如图3所示。

图3　WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金矫顽磁力与导热系数的关系

从图3可以看出,随合金矫顽磁力的降低,合金的导热系数呈现出增大的趋势。即硬质合金的WC平均晶粒变粗,合金的导热系数变大。经数据理合分析,矫顽磁力和导热系数呈现明显的负相关,两者满足Y=-0.1527X+29.597函数关系。

3.4 硬质合金的微观结构

表3和图4分别给出了不同烧结温度制备的合金的金相照片。

表3　不同烧结温度制备的合金试样微观组织

图4　WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金在不同烧结温度下的金相照片(1500×)

从表3和图4可以看出随烧结温度的升高,WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金中平均WC粒度增大;温度越高,合金中WC晶粒组织分布更加不均,1 480℃的烧结温度制备的合金,其平均WC晶粒超过5um,达到5.03um。从金相图片还可以看出合金组织中的WC晶粒孔隙少,棱角较鲜明,组织发育较完整。

图5给出了不同烧结温度制备的WC-6.1Co超粗硬质合金合金试样的WC粒度分布结果。

图5　不同烧结温度下WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金的WC粒度分布

从图5中可以看出,随烧结温度提高, WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金中的WC晶粒长大变粗,WC平均晶粒尺寸增大,晶粒尺寸大于7μm的WC晶粒占比增大,小于2μm 的WC晶粒占比减少。一般情况下,烧结温度越高,液相含量越多,细小的WC颗粒溶解在液相的量越多,溶解再结晶长大程度越严重,故高烧结温度高制备的合金,细小WC晶粒量少,粗大的WC晶粒多。WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金中WC粒度离差系数越大, 即WC晶粒的均匀性越差。超粗合金中WC粒度离差系数在0.70～0.85间,合金晶粒分布较均匀。

4 结论

(1)采用1 430℃、5.0MPa压力烧结工艺,WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金具有最优的综合性能,密度14.92g/cm3,硬度87.6HRA,强度2 440MPa,磁力5.3KA/m,合金导热系数为155.9W/m K。

(2)WC-6.1Co超粗硬质合金的导热系数随合金矫顽磁力的降低呈现增大的趋势。矫顽磁力和导热系数呈现明显的负相关关系,两者满足Y=-0.1527X+29.597函数关系。

(3)低压烧结制备的WC-6.1Co超粗晶粒硬质合金,合金金相达到A02B00C00E00水平,WC平均晶粒尺寸随烧结温度的升高而增大,合金组织中的WC晶粒孔隙少,棱角鲜明,组织发育完整。

参考文献:

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[10]中国有色金属加工工业协会硬质合金分会.钤木寿论文选辑[M].1985.6:289-294.

Effect of Sintering Temperature on the Microstructures and Properties of WC-6.1Co Ultra-Coarse Grained Cemented Carbides

LIAO Jun1,2,JIANG Yang1,LI Zhong-dian2, MIN Zhao-yu2,XU Zhi-chao2,LU Ying-wei1
(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Anhui 230009 Hefei,China; 2.Zigong Cemented Carbide Co.Ltd.,Zigong 643011 Sichuan,China)

Abstract:WC-6.1Co ultra-coarse grained cemented carbides were prepared by the traditional lowpressure sintering process The metallography observation and mechanical and physical characterizations have been performed to study the effect of sintering temperature on the microstructures and properties of the ultra-coarse grained cemented carbides.It is found that the grain size of WC increases with the sintering temperature increasing.Moreover,the WC grains keep less pores and present integrality of microstructures with distinct edges and corners.In addition,the coercive force and thermal conductivity monotonically decreasing and increasing,respectively,with the sintering temperature growing,however,the WC-6.1Co ultra-coarse grained cemented carbide sintered at 1 430℃reached highest bending strength and hardness,and eventually gained thebook=33,ebook=37best comprehensive performance.

Key words:ultra-coarse grained cemented carbides;sintering temperature;microstructure;properties

作者简介:廖军,工程师,长期从事硬质合金技术与研发工作。

文章编号:1001-5108(2016)01-0032-06

中图分类号:TQ174,TG135

文献标识码:A