精磨WC-Co礦用齒在水及切削液中的腐蝕行為

王明勝，孫東平，歐陽琪

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021）

精磨WC-Co礦用齒在水及切削液中的腐蝕行為

王明勝，孫東平，歐陽琪

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021）

研究WC-6%Co、WC-11%Co硬質(zhì)合金在水及不同濃度切削液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)在水中浸泡24h后，兩種合金表面均出現(xiàn)不同程度的銹斑。經(jīng)過輕度滾磨，合金表面出現(xiàn)不同程度的無Co區(qū)，合金表面腐蝕區(qū)的橫切面SEM形貌顯示，6%Co合金腐蝕層厚度約為9μm，而11%Co合金腐蝕層厚度大約在12μm。在2%濃度的切削液中浸泡72h，6%Co合金仍然完好，而11%Co合金表面出現(xiàn)輕微腐蝕。而在5%濃度的切削液中浸泡72h，兩種Co含量的合金均沒有出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象。

中顆粒WC-Co硬質(zhì)合金；水腐蝕；Co浸出；SEM；EDS分析

中粗顆粒WC-Co硬質(zhì)合金具有良好的硬度和韌性等綜合性能，廣泛應(yīng)用于石油開采、礦山開采類牙輪鉆頭及潛孔鉆頭[1,2]。合金齒的制作流程一般為：壓制-燒結(jié)-無心磨磨外徑-滾磨。無心磨工序使合金齒獲得良好的粗糙度和精密的尺寸，在使用時直接壓入鋼基體的孔中，以達到較好的過盈配合。滾磨工序主要作用為：一方面消除合金齒表面因無心磨造成的加工殘余應(yīng)力，另一方面鈍化合金齒的交界面，以防止在鑲嵌過程中劃傷鋼基體。

在實際的無心磨及滾磨生產(chǎn)過程中，冷卻液及水作為重要的介質(zhì)，無論在儲存還是在加工過程中都不可避免的使用到。Co是一種易腐蝕金屬，因此以Co作為粘結(jié)相的WC-Co硬質(zhì)合金具有較差的抗氧化性能和耐腐蝕性能。醋酸類弱酸對WC-Co硬質(zhì)合金的腐蝕作用、以及在硬質(zhì)合金的加工過程中切削液對硬質(zhì)合金中的Co產(chǎn)生腐蝕和浸出作用均有研究和報道[3-7]。而水對硬質(zhì)合金的腐蝕性研究，尤其是水對中粗顆粒礦用硬質(zhì)合金的腐蝕性能報道卻鮮有觸及。

本文旨在研究水及不同濃度的切削液對中粗顆粒硬質(zhì)合金制品的腐蝕行為，選用WC-6%Co、WC-11%Co兩種中顆粒精磨合金齒作為研究對象，研究不同Co含量的中顆粒硬質(zhì)合金在水及不同濃度的切削液中的腐蝕情況。

1 實驗

選用 WC-6%Co、WC-11%Co兩種中顆粒合金齒作為研究對象。首先對合金齒進行精磨-輕度滾磨處理，然后將兩種合金齒分別置放于水、2%濃度冷卻液 （正常無心磨使用冷卻液）、5%濃度的冷卻液中，采用相同的實驗條件，并實時對合金齒表面進行觀察。

采用Hitachi S-3000N型掃描電鏡觀察合金齒表面狀態(tài)；采用EDAX Genesi-SEMS能量色散X射線能譜儀對表面腐蝕區(qū)進行元素分析。

采用ICP法對浸泡過合金的水進行Co含量測定。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 合金齒在三種介質(zhì)中腐蝕性形態(tài)對比

圖1所示為合金齒在三種不同介質(zhì)中浸泡24h的樣品照片。如圖1a所示，合金齒在水中浸泡一天，樣品表面出現(xiàn)明顯的彩色銹斑。在樣品堆壓的位置出現(xiàn)如圖1a中圓圈標注的封閉式“花紋”。而在另兩種不同濃度的切削液中浸泡的樣品均沒有出現(xiàn)彩色銹斑，表面仍然呈現(xiàn)精磨后的金屬光澤。由此表明，添加少量的切削液對WC-Co合金的腐蝕能力明顯減弱，分析原因為：少量切削液的添加改變了水的酸堿性，由弱酸性變?yōu)槿鯄A性。

圖1 WC-6%Co合金齒在三種不同介質(zhì)中浸泡24小時的樣品照片

圖2 兩種Co含量不同的合金齒在2%濃度的切削液中浸泡72h的照片

圖2所示為兩種Co含量不同的合金齒在2%濃度的切削液中浸泡72h的照片。由圖2發(fā)現(xiàn)，在2%切削液中浸泡72小時后，11%Co的合金齒表面出現(xiàn)局部的“暗斑”，且“暗斑”的位置與圖1a中的封閉式花紋相同，同樣在樣品堆壓的位置，6%Co的合金沒有出現(xiàn)此類的“暗斑”。對“暗斑”區(qū)域進行SEM形貌及能譜分析，其SEM形貌及能譜分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 11%Co合金齒表面 “暗斑”SEM照片及EDS分析結(jié)果圖

由圖3看到，表面“暗斑”區(qū)域出現(xiàn)裸露的WC晶粒，且由EDS分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域Co百分含量明顯低于合金Co含量的實際值（11%），只有4.14%。由此可見，2%切削液對WC-Co仍有較強的浸蝕能力，且隨Co含量的增加，WC-Co硬質(zhì)合金的耐浸蝕能力逐漸降低。

而在5%濃度的切削液中浸泡的兩種Co含量不同的樣品中均沒有出現(xiàn)此類暗斑，樣品表面仍然呈現(xiàn)精磨后的金屬光澤。說明，隨切削液濃度的增加，對WC-Co硬質(zhì)合金的腐蝕性能明顯降低。由此可見，實際生產(chǎn)過程中，可采用2%濃度的切削液來加工WC-Co合金或24h以內(nèi)的保存，而需超過72h的存放時必須采用5%左右的切削液浸泡。

2.2 不同Co含量合金在水中的腐蝕性對比

兩種Co含量不同的中顆粒合金在水中浸泡24h，均出現(xiàn)不同程度的銹斑和封閉式“花紋”。為了明確銹斑和封閉式“花紋”的形貌產(chǎn)生的原因，首先對樣品滾磨1h，滾磨后的樣品如圖4所示。由圖4看到，樣品經(jīng)過滾磨后表面的銹斑已全部去掉，表面呈現(xiàn)出精磨后的金屬光澤。而先前封閉式“花紋”的部位出現(xiàn)表面粗糙的暗色區(qū)域。對兩區(qū)域進行SEM形貌及能譜分析。

圖4 兩種Co含量的合金齒在水中浸泡24h的照片

圖5 6%Co、11%Co合金經(jīng)水浸泡后的SEM照片

圖5所示為6%Co、11%Co合金經(jīng)水浸泡后樣品 （經(jīng)過輕度滾磨去除表面銹斑）的SEM照片，由圖5a1、圖5b1看到，兩種Co含量的合金均出現(xiàn)了表面凹凸不平的“粗糙區(qū)”和細微磨痕的“光潔區(qū)”。圖5a2、圖5b2為兩種Co含量的合金表面 “粗糙區(qū)”的高倍照片。由圖5a2、圖5b2看到，合金表面的“粗糙區(qū)”部分幾乎全是裸露的WC晶粒，其中6%Co合金的“粗糙區(qū)”中仍存留少量的Co，再次證明了隨Co含量的增加，WC-Co硬質(zhì)合金的耐浸蝕能力逐漸降低。對兩種Co含量的合金表面進行EDS元素分析。其結(jié)果如圖6所示。

圖6 6%Co、11%Co合金經(jīng)水浸泡后表面不同區(qū)域EDS分析結(jié)果

由圖6a1、6b1看到，兩種Co含量的合金表面的“粗糙區(qū)”Co含量基本為零，說明粗糙區(qū)域的Co被水腐蝕掉，形成宏觀無Co區(qū)缺陷。由圖6a2、圖6b2看到，即使是“光潔區(qū)”的Co含量也明顯少于合金樣品實際的Co含量，說明這些區(qū)域的Co也有部分被水浸蝕，且Co含量越高的合金Co損失的越多。采用ICP方法測定，浸泡過合金的水中Co含量為32μg/mL，再次證明了合金中的Co被水所浸蝕。

2.3 經(jīng)水浸蝕的合金橫切面分析

對經(jīng)水腐蝕的合金樣品進行切割-拋光處理，觀察腐蝕區(qū)的橫切面形貌。圖7所示為兩種Co含量合金樣品的橫切面SEM形貌圖。由圖7看到，兩種合金樣品在被腐蝕區(qū)域的橫切面上存在不同厚度的組織疏松區(qū)，6%Co合金腐蝕層厚度約為9μm，而11%Co合金腐蝕層厚度大約在11μm。由此可以認為：水對合金中的Co有相當(dāng)強的浸出能力，致使部分合金表面在一定深度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出無Co區(qū)宏觀缺陷。由于水對Co的浸蝕，在WC晶粒間形成大量的孔隙，從而減弱了WC晶粒間的結(jié)合力，導(dǎo)致合金的強度等性能大大降低。

圖7 兩種Co含量的合金樣品的橫切面SEM形貌圖

水對WC-Co合金的腐蝕機理，有研究認為Co在水中的標準氧化還原電勢只有-0.28ev（室溫下），而WC為電子的良導(dǎo)體，這就使WC-Co硬質(zhì)合金在水中形成微電池結(jié)構(gòu)，這些微電池不斷的將合金中的Co腐蝕成Co2+，從而從合金中浸出[8]。切削液的加入有效減緩了水對合金中Co的浸出作用，從而大大延緩了對合金的腐蝕作用。

3 結(jié)論

（1）水對6%Co和11%Co兩種中顆粒合金均有明顯的腐蝕性，在水中浸泡24h，兩種合金表面均出現(xiàn)不同程度宏觀無Co區(qū)。

（2）切削液的添加有效降低了水對合金的腐蝕能力，11%Co含量的中顆粒合金在2%濃度的切削液中浸泡72h后，表面出現(xiàn)輕微的腐蝕區(qū)；而6%Co含量的合金并沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

（3）切削液濃度達到5%后，其對硬質(zhì)合金的腐蝕能力大大降低，即使在其中浸泡72h，兩種Co含量的合金均不出現(xiàn)被腐蝕現(xiàn)象。

[1]遲靜，李惠琪，王淑峰，李敏.礦用WC硬質(zhì)合金的研究進展與趨勢[J].礦山機械，2010,(8)：23-27.

[2]孫東平，夏斌華.超粗晶粒鑿巖硬質(zhì)合金研究的新進展[J].鑿巖機械氣動工具，2009,(4)：41-46.

[3]秦頤.鎢基硬質(zhì)合金的抗蝕性[J].中國制筆，1998，（2）：19-22.

[4]高筠，賈曉明，杜明華.磨削硬質(zhì)合金刀具時鈷浸出機理的研究[J].工具技術(shù)，2001,35（4）：9-11.

[5]王興慶，李曉東，郭海亮，何寶山.Al含量對WCCo硬質(zhì)合金耐腐蝕性能的影響[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2006,11（4）：219-224.

[6]張好強，賈曉明，王莉娜.電火花線切割工作液對硬質(zhì)合金模具的腐蝕研究[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2010,38（1）：21-24.

[7]Sutthiruangwong S,Mori G,Kosters K．Passivity and pseudopassivity of cemented carbides[J]．InternationalJournal of Refractory Metal&Hard Materials,2005,23:129-136．

[8]馬麗麗．WC-Co硬質(zhì)合金在水中的腐蝕行為[J]．粉末冶金材料科學(xué)與工程，2010,15(6)：635-639．

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