滾磨處理對(duì)硬質(zhì)合金力學(xué)性能影響

晏 平

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021）

表面滾磨加工具有效率高、成本低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。是硬質(zhì)合金生產(chǎn)中的一道重要工序，在硬質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用[2]。 而滾磨處理對(duì)硬質(zhì)合金力學(xué)性能的影響沒(méi)有得到足夠的重視，相關(guān)的報(bào)道較少。本文對(duì)滾磨處理的機(jī)理，對(duì)WC-Co 硬質(zhì)合金力學(xué)性能的影響進(jìn)行了一定的分析，為實(shí)際生產(chǎn)中，提高硬質(zhì)合金產(chǎn)品使用壽命提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

滾磨試樣采用金鷺公司生產(chǎn)的商用硬質(zhì)合金牌號(hào)， 牌號(hào)和鈷含量分別為GD10S (6%)、GF20D （6%）、GD30C （10%）、GD50 （14.8%）、GD70S（17.5%）。

滾磨工藝為 1.5 L 球磨罐、球料比 1：1、滾磨時(shí)間按實(shí)驗(yàn)需要確定。

對(duì)滾磨前后的試樣，進(jìn)行表面硬度測(cè)試、斷裂韌性測(cè)試、 觀察合金產(chǎn)品表面形貌。 表面硬度按GD/T 3849-1983 測(cè)試； 抗彎強(qiáng)度按GB/T 3854-1983 測(cè)試；對(duì)滾磨前后的試樣觀察表面金相。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 滾磨前后表面硬度分析

將滾磨前的試樣表面平磨、拋光成鏡面后進(jìn)行HRA 測(cè)試；然后再放入球磨罐進(jìn)行滾磨處理，對(duì)相同的表面進(jìn)行HRA 檢測(cè)。 對(duì)比滾磨前后表面硬度的變化。 不同牌號(hào)的合金，經(jīng)過(guò)滾磨處理后，表面硬度測(cè)量值見(jiàn)表1。

由表1 可以看出，不同鈷含量的合金，滾磨后，表面的硬度有不同程度的增加。 當(dāng)鈷含量大于10%時(shí)，滾磨后，硬度增加的幅度大于鈷含量小于10%的合金。而且鈷含量大于10%的合金牌號(hào)，硬度增加量都為0.4。

滾磨后，表面硬度的增加主要是合金內(nèi)部鈷相強(qiáng)化起到作用。 可能的機(jī)理是：

表1 滾磨前后表面硬度

（1）鈷相晶粒在滾磨撞擊過(guò)程中破碎，晶粒變細(xì)，起到了細(xì)晶強(qiáng)化的效果；

（2）鈷相在滾磨過(guò)程中，鈷相位錯(cuò)增加并纏結(jié)，位錯(cuò)移動(dòng)阻力增大，變形變困難；

（3）合金表面產(chǎn)生壓應(yīng)力[3]；

（4）表層WC 晶粒破碎，鈷層厚度減薄，合金表面強(qiáng)化。

圖1 為滾磨前后合金表面電鏡形貌，圖2 為滾磨前后界面金相。 從圖1 和圖2 可以看出WC晶粒破碎，界面形成一層細(xì)晶區(qū)，鈷層厚度減薄。

2.1 滾磨前后斷裂韌性（KIC）的變化

對(duì)不同牌號(hào)的KIC 樣就行滾磨，對(duì)滾磨前后的試樣測(cè)量斷裂韌性。表2 為幾個(gè)牌號(hào)產(chǎn)品在滾磨前后的KIC 值。

圖1 GD10S 滾磨前后表面界面形貌

圖2 GD70S 滾磨前后界面金相不勝數(shù) 1500×

從表2 可以看出，不同的牌號(hào)滾磨后，斷裂韌性都有不同程度的增加。 這是由于合金燒結(jié)后，由于鈷相和WC 相的收縮系數(shù)不同，燒結(jié)態(tài)合金內(nèi)部存在微應(yīng)力，滾磨的振動(dòng)過(guò)程消除這部分應(yīng)力，從而提高合金的韌性。

表2 滾磨前后斷裂韌性變化

對(duì)GF20D 牌號(hào)的合金KIC 試樣在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行滾磨處理后，進(jìn)行KIC 測(cè)試。圖3 為GF20D在不同轉(zhuǎn)速下滾磨，合金斷裂韌性KIC 值的變化。

由圖3 可以看出，在低轉(zhuǎn)速下，合金有較高的斷裂韌性，隨著滾磨強(qiáng)度的增加，斷裂韌性降低，這可能是由于在合金內(nèi)部應(yīng)力消除后，繼續(xù)滾磨增加了合金內(nèi)部應(yīng)力。 另外，滾磨強(qiáng)度的增加，表面凹坑，掉邊角的出現(xiàn)機(jī)率增加，這也起到減小斷裂韌性的作用，所以，合適的滾磨工藝應(yīng)該控制在適當(dāng)滾磨強(qiáng)度，在不產(chǎn)生表面凹坑的前提下，盡量消除內(nèi)部應(yīng)力。

2.2 滾磨前后表面凹坑

過(guò)渡滾磨會(huì)對(duì)合金表面產(chǎn)生缺陷，表面凹坑作為斷裂源，在生產(chǎn)中要避免。 圖4 為合金齒各個(gè)部位在滾磨過(guò)程中撞擊產(chǎn)生的凹坑。

對(duì) 200 件 GD30C（10%Co）產(chǎn)品表面進(jìn)行無(wú)心磨精磨后再確認(rèn)整體沒(méi)有凹坑的試樣，進(jìn)行滾磨，每30 min 取出50 件觀察表面凹坑（表面產(chǎn)生的深度為0.06 mm，寬度為0.87 mm，定義為凹坑）。 表 2 為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖3 不同滾磨轉(zhuǎn)速對(duì)G20D 斷裂韌性的影響

圖4 滾磨過(guò)程中產(chǎn)生產(chǎn)的缺陷

表2 GD30C 合金在不同滾磨時(shí)間段表面凹坑新增件數(shù)

從表2 可以看出，不同的滾磨時(shí)間段，產(chǎn)品表面凹坑的新增件數(shù)不同。 滾磨時(shí)間在2.0 h-3.0 h 時(shí)間段，表面新增凹坑的件數(shù)為0，這是由于滾磨一定時(shí)間后，合金表面強(qiáng)化硬度提高導(dǎo)致表面凹坑產(chǎn)生的機(jī)率下降。但在滾磨3.5 h 時(shí)后，隨著滾磨時(shí)間增加， 合金表面碰傷幾率增加，導(dǎo)致凹坑件數(shù)增加。

另外從上表可以看出柱身產(chǎn)生凹坑的數(shù)量最多，這與柱體表面接觸面積大有關(guān)。 棱邊凹坑在滾磨3 h 前不易產(chǎn)生。 所以滾磨時(shí)間在1.5 h～2.5 h 間可以在起到滾磨強(qiáng)化的要求下， 滾磨凹坑產(chǎn)生的幾率盡量減小。

3 結(jié)論

(1)滾磨處理對(duì)硬質(zhì)合金起到表面強(qiáng)化的作用。 HRA 增加約 0.2～0.4.

滾磨處理對(duì)合金韌性提高有一定的作用，適當(dāng)?shù)臐L磨強(qiáng)度能較大提高合金韌性。

滾磨時(shí)間在1.5 h-2.5 h 間，可在強(qiáng)化合金的要求下，表面凹坑產(chǎn)生機(jī)率較少。

[1]楊勝?gòu)?qiáng)，李文輝，陳紅玲.表面光整加工理論與新技術(shù)[M].北京國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[2]都春義，高云松，劉永平.表面滾磨光整加工的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2012(6)：18-19.

[3]楊世春，楊勝?gòu)?qiáng).自由磨光整加工技術(shù)的發(fā)展方向[J].機(jī)械工人冷加工，2002(1)：11-12.

[4]師恕蘭，汪鳴峰，張銀喜.離心滾磨光整加工機(jī)理和應(yīng)用[J].兵工學(xué)報(bào)，1996(7)：230-233.