再生WC-Co粉制備硬質(zhì)合金的研究

魏仕勇，萬(wàn)珍珍，付青峰，尹 樺

(江西省科學(xué)院銅鎢新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330029)

再生WC-Co粉制備硬質(zhì)合金的研究

魏仕勇，萬(wàn)珍珍，付青峰，尹 樺

(江西省科學(xué)院銅鎢新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330029)

本文以再生WC粉混合制備YG8硬質(zhì)合金為研究對(duì)象，對(duì)硬質(zhì)合金性能和組織進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與原生WC粉末制備的硬質(zhì)合金相比，再生粉末制備的硬質(zhì)合金矯頑力有所提高，而鈷磁和抗彎強(qiáng)度等性能下降明顯;金相分析發(fā)現(xiàn)組織中出現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象。

再生WC-Co粉;組織;性能;脫碳現(xiàn)象

硬質(zhì)合金主要原料以碳化鎢和金屬鈷為主，具有硬度高、耐磨性好等特點(diǎn)，在軍用、航空、機(jī)械制造及礦山、地質(zhì)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域都有不可替代的地位。由于經(jīng)濟(jì)價(jià)值和制造成本高，硬質(zhì)合金再生利用問(wèn)題成為鎢鈷資源回收利用關(guān)注的熱點(diǎn)［1］。目前，研究者通過(guò)硝石法、鋅熔法、機(jī)械破碎法、電化學(xué)法、酸浸出法、氯化法、氧化還原碳化法以及硫酸鈉熔融等工藝從廢舊硬質(zhì)合金中提煉出再生WC粉［2-3］。國(guó)內(nèi)外研究者［4］已利用再生料WC生產(chǎn)出適合礦用、切削工具、耐磨件等產(chǎn)品。但與原生料WC粉相比，再生料存在雜質(zhì)含量多、孔隙度高、性能差等缺點(diǎn)。因此，本文以再生料WC制備YG8硬質(zhì)合金為研究對(duì)象，研究再生粉末對(duì)制備的合金組織和性能的影響，為再生粉應(yīng)用拓寬思路。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原始材料

試驗(yàn)中所選用的再生料WC粉和Co粉來(lái)自湖南株洲某廠用鋅熔法生成的，再生料WC-Co化學(xué)成分見(jiàn)表1所示。原生料WC粉采用江鎢硬質(zhì)合金有限公司生成的，成分等級(jí)為1級(jí)。

1.2 成分設(shè)計(jì)及燒結(jié)工藝

為了更好地對(duì)比混合稀土對(duì)再生料性能的影響，試驗(yàn)成分設(shè)計(jì)為YG8合金，見(jiàn)表2。

表1 再生料WC-Co化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of regeneration material WC-Co(ω，%)

表2 樣品成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The composition design of sample(ω，%)

按上述表2成分設(shè)計(jì)配料，按原生料燒結(jié)YG8經(jīng)驗(yàn)，需添加適量C粉調(diào)節(jié)WC的碳濃度。制備工藝流程為:球磨(球料比3:1，轉(zhuǎn)速200 r/min，無(wú)水乙醇作濕磨介質(zhì)，球磨時(shí)間24 h)→干燥(溫度90℃，時(shí)間1 h)→過(guò)篩(40目篩網(wǎng))→壓力機(jī)壓制成型(尺寸30 mm×5 mm×5mm mm)→真空燒結(jié)爐中燒結(jié)(溫度1450℃)。

待試樣燒結(jié)冷卻后，對(duì)試樣的顯微組織和密度、硬度、矯頑磁力、鈷磁以及抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金試樣性能

圖1為粉末制備的硬質(zhì)合金試樣(1#和2#)燒結(jié)后的密度和硬度對(duì)比。從圖中可以看出，再生WC粉末制備合金(2#)，與原生WC粉末制備的合金在密度和硬度上并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的變化，幾乎相同，甚至在誤差范圍內(nèi)可以忽略不計(jì)。由此可知，在其他工藝相同下，利用再生粉末制備硬質(zhì)合金，在密度和硬度上可以達(dá)到合金產(chǎn)品要求。

圖1 合金試樣燒結(jié)后密度和硬度對(duì)比圖Fig.1 Comparison map of density and hardness of alloy sample after sinter

圖2 合金試樣燒結(jié)后矯頑磁力和鈷磁對(duì)比圖Fig.2 Comparison map of coercive force and magnetic saturation of alloy sample after sinter

圖2為粉末制備的硬質(zhì)合金試樣(1#和2#)燒結(jié)后的矯頑磁力和鈷磁對(duì)比圖。從圖中可以看出，與原生WC粉末制備的合金相比，再生WC粉末制備的合金矯頑磁力有所提高，提高了9.4%左右，而鈷磁卻下降了大約8.5%。這說(shuō)明再生粉末對(duì)合金的矯頑磁力和鈷磁產(chǎn)生影響，其晶粒大小和分布與原生粉末制備的合金存在差異，在其他工藝相同情況下，再生粉末制備的合金，晶粒有細(xì)化的可能。

圖3 合金試樣燒結(jié)后的抗彎強(qiáng)度Fig.3 Bending strength of alloy sample after sinter

(a)1#試樣;(b)2#試樣圖4 合金試樣燒結(jié)后顯微組織(a)1#sample;(b)2#sampleFig.4 Microstructure of alloy sample after sinter

圖3為粉末制備的硬質(zhì)合金試樣(1#和2#)和標(biāo)準(zhǔn)YG8合金抗彎強(qiáng)度對(duì)比圖。從表中可看出，1#合金試樣，由于再生Co的加入，抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)了下降，只有標(biāo)準(zhǔn)YG8硬質(zhì)合金的62.5%;而2#合金試樣的抗彎強(qiáng)度下降更為明顯，僅有標(biāo)準(zhǔn)YG8抗彎強(qiáng)度52.3%左右。這說(shuō)明，再生粉末制備硬質(zhì)合金對(duì)合金的抗彎強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響，并且再生粉末加入越多，抗彎強(qiáng)度下降就越明顯。由此可知，再生粉末要制備合格的硬質(zhì)合金，還有待進(jìn)一步研究。

2.2 合金試樣顯微組織

圖4為合金試樣燒結(jié)后的顯微組織。從圖中可以看出，1#、2#合金試樣盡管在球磨過(guò)程中添加了C粉，但依然存在脫碳現(xiàn)象，尤其是2#試樣的脫碳現(xiàn)象最為明顯。對(duì)比圖4(a)、4(b)可以看出，再生粉末在制備硬質(zhì)合金過(guò)程中，再生粉末量越多，合金組織中失碳現(xiàn)象就越明顯。由此可見(jiàn)，在試驗(yàn)中再生粉末制備的YG8硬質(zhì)合金是不合格的，還需對(duì)再生粉末進(jìn)行優(yōu)化處理，減少粉末中的雜質(zhì)，防止粉末吸附更多的有害氣體，消耗配料中的C。這也說(shuō)明了2#合金試樣的抗彎強(qiáng)度之所以下降那么明顯，是因?yàn)榇罅康拿撎枷嘣诤辖鹬写嬖冢茐牧撕辖鸬捻g性。

2.3 脫碳分析

在WC-Co硬質(zhì)合金燒結(jié)過(guò)程中，碳來(lái)源于兩個(gè)方面:一是WC本身的內(nèi)在C，即化合碳;二是原料碳即游離碳。如何控制碳含量是制備性能優(yōu)良硬質(zhì)合金最關(guān)鍵的技術(shù)之一。碳含量直接影響硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度和燒結(jié)過(guò)程中的液相量，對(duì)硬質(zhì)合金燒結(jié)中WC晶粒的長(zhǎng)大起到關(guān)鍵作用。由此可知，碳含量即便輕微波動(dòng)都會(huì)引起硬質(zhì)合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生突變。一般來(lái)說(shuō)，WC-8Co硬質(zhì)合金在平衡狀態(tài)下得到正常的兩相組織WC和γ相(如圖5所示)，γ相是Co基固溶體，它固溶了W元素和C元素。但在實(shí)際合金制備過(guò)程中，碳含量會(huì)受到原材料的碳分布、燒結(jié)設(shè)備、石墨舟以及燒結(jié)工藝等影響產(chǎn)生稍微波動(dòng)。碳含量過(guò)低會(huì)出現(xiàn)脫碳的η相，過(guò)高會(huì)出現(xiàn)石墨相，一旦合金組織中出現(xiàn)這兩種相的任何一種都會(huì)破壞合金的正常組織，導(dǎo)致合金綜合性能降低［6］。

圖5 C-W-Co三元合金相圖的溶解度曲面投影圖Fig.5 The projection of solubility of C-W-Co ternay alloy phase diagram

一般認(rèn)為，硬質(zhì)合金燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)脫碳相是在C-W-Co三元合金高于共晶溫度時(shí)，由于氧的存在，消耗了液相Co中的C，破壞了液相中W原子和C原子的平衡，導(dǎo)致冷卻過(guò)程中從Co中析出的WC是C原子和W原子化學(xué)計(jì)量不平衡的WC，從而就與Co形成了三元的脫碳η相(Co6W6C、Co3W3C)和θ相(Co2W4C)等脫碳相。

試驗(yàn)制備的硬質(zhì)合金工序包括球磨、干燥、壓制成型、燒結(jié)，其中，除了燒結(jié)工序是在低壓真空環(huán)境下外，其他工序均在敞開(kāi)的大氣環(huán)境中進(jìn)行。這導(dǎo)致硬質(zhì)合金樣品燒結(jié)前，粉末表面可能會(huì)氧化粘附一層氧化物薄膜，也有可能在粉末之間吸附O2、H2O、H2、N2等有害雜質(zhì)氣體。這些有害的雜質(zhì)氣體會(huì)使硬質(zhì)合金樣品在燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生有害反應(yīng)，在硬質(zhì)合金組織中生成脫碳相。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，2#試樣合金組織中出現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象(圖4(b))，原因可能有:1)再生粉末在球磨過(guò)程中，粉末與鋼球不斷碰撞和擠壓，使得粉末表面不斷地光滑鮮活，使粉末表面的吸附能力不斷增強(qiáng);2)隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，粉末的粒度也在不斷降低，粉末的總比表面積也在提高，這使得球磨后的粉末吸附作用加強(qiáng)，導(dǎo)致粉末中吸附的氧含量很高，在燒結(jié)過(guò)程中，與碳發(fā)生反應(yīng)，消耗粉末中更多的游離碳，從而引發(fā)合金脫碳現(xiàn)象。此外，粉末球磨是在機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的作用下，經(jīng)過(guò)破碎、焊合、再擠壓變形，使粉末產(chǎn)生新生原子面，形成的層狀結(jié)構(gòu)不斷細(xì)化，導(dǎo)致所制備的粉末顆粒中存在大量的高密度缺陷和應(yīng)變能。并隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，粉末的表面、界面效應(yīng)以及尺寸效應(yīng)也相應(yīng)得到提高，從而使粉末的化學(xué)活性得到增強(qiáng)，而缺陷能、應(yīng)變能以及化學(xué)能的提高為燒結(jié)中WC粉內(nèi)的C向外擴(kuò)散或氧向內(nèi)擴(kuò)散提供了驅(qū)動(dòng)力，加速了燒結(jié)過(guò)程中碳的變化，最終在合金中形成脫碳相［7］。文獻(xiàn)［8］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用高能球磨法制備的納米結(jié)構(gòu)WC-10Co復(fù)合粉末，經(jīng)真空燒結(jié)后，合金中出現(xiàn) W2C、Co3W3C、Co3W9C4等脫碳相。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，再生粉末制備的YG8硬質(zhì)合金在性能上與標(biāo)準(zhǔn)YG8相比，還存在差距，這是因?yàn)樵偕勰┲苽涞暮辖鸾M織中明顯出現(xiàn)了脫碳相，會(huì)降低合金的性能?？傊?，如何對(duì)再生粉末進(jìn)行有效控氧、除雜等，是實(shí)現(xiàn)合金燒結(jié)過(guò)程中進(jìn)行有效控碳的前提條件。這一問(wèn)題的解決是制備質(zhì)量合格的再生硬質(zhì)合金的關(guān)鍵，對(duì)再生WC粉的再利用是有著重大意義。

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Research on Cemented Carbides Prepared by Regeneration WC-Co Powder

WEI Shi-yong，WAN Zhen-zhen，F(xiàn)U Qing-feng，YIN Hua
(Jiangxi Key Laboratory of Advanced Copper and Tungsten Materials，Jiangxi Academy of Sciences，Nanchang Jiangxi 330029，China)

In this paper，YG8 cemented carbides prepared by regeneration WC powder is taken as the object of research，and the properties and microstructure of the cemented carbide are analyzed.The results show that compared with native WC powder，the cemented carbide prepared by regeneration WC-Co powder has better coercive force，magnetic cobalt and bending strength decline.The obvious decarburization phenomenon is observed by metallographic analysis.

regeneration WC-Co powder;microstructure;performance;decarburization phenomenon

TG132.2+7

A

1673-4971(2014)05-0018-04

2014-06-29

魏仕勇(1978-)，男，碩士，助理研究員，主要從事金屬材料及表面強(qiáng)化等方面研究。

聯(lián)系電話:0791-88176237;E-mail:sywei5229@163.com

江西省科學(xué)院國(guó)家預(yù)研項(xiàng)目(2011-YGY-02);江西省科學(xué)院惠普項(xiàng)目(2013-XTPH2-22)。