不同形貌碳化鎢對(duì)合金磨損性能的影響

顧金寶，廖 軍，菅豫梅，王 可，邱 勇，刁椿珉

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川 自貢 643011)

1 引言

WC-Co硬質(zhì)合金具有優(yōu)良的機(jī)械性能，尤其是其較高硬度和良好韌性的結(jié)合，使得其廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程中的礦山開采、油氣鉆探、隧道掘進(jìn)等工程領(lǐng)域。硬質(zhì)合金在鑿巖領(lǐng)域中主要以硬質(zhì)合金齒的形式出現(xiàn)，合金齒通過鑲嵌在鋼結(jié)構(gòu)的釬頭體上制作成鉆頭(或釬頭)，形成各式各樣的鑿巖工具，這些鑿巖工具的服役條件一般比較惡劣，常常需要承受循環(huán)載荷、冷熱交替的溫度變化以及腐蝕性的工作環(huán)境。疲勞失效是造成鑿巖工具失效的一種主要形式，疲勞種類一般有機(jī)械疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞，在硬質(zhì)合金實(shí)際使用中，幾種疲勞方式共同作用，相互促進(jìn)[1]。目前關(guān)于實(shí)驗(yàn)室合金性能檢測的報(bào)道大部分是關(guān)于靜載荷的，主要包括強(qiáng)度、硬度、斷裂韌性等，也有文章報(bào)到過動(dòng)載荷狀態(tài)下合金的沖擊疲勞研究[2-4]。關(guān)于實(shí)驗(yàn)室模擬沖擊回轉(zhuǎn)式鑿巖工具的工況，對(duì)合金施加一定動(dòng)載荷的沖擊，同時(shí)可以設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行磨損的實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道較少。硬質(zhì)合金中碳化鎢為其主要成分，合金的耐磨性依賴于硬質(zhì)相，碳化鎢粉末的常規(guī)分析能確定其純度和粒度；但由于不同廠家提供的碳化鎢，在化學(xué)成分和粒度十分相近的情況下仍然表現(xiàn)出力學(xué)性能及其他性能的差異[5]。以下就市售的三家相同規(guī)格的碳化鎢，費(fèi)氏粒度20-25 μm，在相同工藝參數(shù)下制作成相同成分、合金平均晶粒度4-5 μm的材質(zhì)，研究三個(gè)廠家的碳化鎢制成的合金在相同動(dòng)載荷沖擊回旋式磨損實(shí)驗(yàn)條件下磨損情況的差異性。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

采用A、B、C三個(gè)廠家生產(chǎn)的費(fèi)氏粒度相近的WC作為原料，具體性能參數(shù)見表1。采用相同球磨工藝：球磨時(shí)間14 h、球料比2:1、己烷加量350 ml/kg、研磨體直徑φ10 mm合金棒，及費(fèi)氏粒度2 μm鈷粉，均配料成含鈷量6%合金原料。對(duì)三組原料利用50 t雙向DORST壓力機(jī)，壓制成統(tǒng)一規(guī)格的樣塊，在1450 ℃燒結(jié)溫度下完成合金化，制成沖擊磨損的合金試樣，其尺寸為φ29 mm×43 mm(見圖1)。

*總碳、游離碳、W2C、氧含量均是質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 檢測設(shè)備、方法

利用ZEISS公司生產(chǎn)的EVO-18型掃描電子顯微鏡觀察WC微觀形貌；采用排水法測定合金試樣密度；試樣金相及孔隙度采用德國徠卡公司生產(chǎn)的DMI5000M型金相顯微鏡觀察；采用截線法測定試樣的平均晶粒度；試樣硬度采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測量；試樣的磁力采用德國KOERZEMAT1.096型矯頑磁力儀檢測；試樣鈷磁性能采用法國塞塔拉姆公司生產(chǎn)的D6025型鈷磁儀測定；試樣沖擊磨損實(shí)驗(yàn)在長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司生產(chǎn)的動(dòng)載荷沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊磨削的對(duì)象是花崗巖，見圖1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 三家WC微觀形貌檢測觀察

從圖2可以看出：低倍下，A、C廠家的WC料均勻性較好，B廠家的WC粗細(xì)不均，存在較多的粗大顆粒；高倍下，C廠家料表面較為光滑，顆粒發(fā)育完整，A、B廠家的WC有較多的聚集顆粒，B廠家產(chǎn)品更明顯。A、B、C三個(gè)廠家的碳化鎢呈現(xiàn)不同形貌特點(diǎn)，這可能與各廠家的碳化鎢生產(chǎn)工藝參數(shù)不同有關(guān)[6-7]。

3.2 合金試樣性能檢測

分別采用三個(gè)廠家生產(chǎn)的WC制備成含鈷量6%的合金，其試樣性能指標(biāo)見表2所示。磁力、鈷磁均有細(xì)微差異，平均晶粒度均達(dá)到4-5 μm ，粒徑離差系數(shù)0.73-0.74，三組實(shí)驗(yàn)晶粒均勻性比較接近。從圖3中的金相照片可以發(fā)現(xiàn)，金相組織非常相近。

3.3 沖擊磨損實(shí)驗(yàn)檢測與分析

所有試樣都制備成統(tǒng)一規(guī)格鉆頭標(biāo)樣塊，考慮到樣品的單重、尺寸有差異，本次實(shí)驗(yàn)采用在同一沖擊磨損條件下，用重量損失比來評(píng)估樣品的抗沖擊磨損能力。沖擊磨損機(jī)參數(shù)設(shè)置兩種方案，具體參數(shù)見表3。 本次沖擊磨損實(shí)驗(yàn)是在兩種不同的設(shè)置條件下進(jìn)行的，由圖4可以明顯看出，在測試1(磨損轉(zhuǎn)速300 r/min)狀態(tài)下，A、B、C合金表現(xiàn)出的抗沖擊磨損效果非常接近；在測試2(磨損轉(zhuǎn)速80 r/min)狀態(tài)下，A、B、C三組合金沖擊磨損效果拉開了差距。合金B(yǎng)磨損重量損失最小，合金C、A次之。這三組合金在高速和低速的磨削呈現(xiàn)出明顯的差異性。高轉(zhuǎn)速下沖擊磨削差異不大，主要原因可能是三組合金試驗(yàn)的晶粒度粗化導(dǎo)致較好的導(dǎo)熱性，在高轉(zhuǎn)速磨削狀態(tài)下，合金磨損以抗熱疲勞性能為主，抗沖擊疲勞為輔；低轉(zhuǎn)速磨削狀態(tài)下，試樣B在低轉(zhuǎn)速磨削狀態(tài)下表現(xiàn)比較突出，相對(duì)磨損質(zhì)量損失百分比最小，主要原因可能是在低轉(zhuǎn)速磨削試驗(yàn)條件下，合金磨損以沖擊磨損為主，熱疲勞磨損為輔。結(jié)合試樣B所使用的碳化鎢及合金性能發(fā)現(xiàn)：一是合金B(yǎng)所用碳化鎢原料相對(duì)A、C合金所用碳化鎢，粒度粗細(xì)不均明顯，且W2C含量較高，表明碳化鎢B發(fā)育相對(duì)不完全，合金制備工藝中碳化鎢B在球磨環(huán)節(jié)團(tuán)粒易于被打散和破碎，制成合金后，合金B(yǎng)的平均晶粒度較A、C合金偏細(xì)，硬度均略高于A、C試樣，低轉(zhuǎn)速磨損，合金B(yǎng)的耐磨性能得到體現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)在相同的工藝條件下，用不同廠家WC原料制備的合金樣塊，在沖擊頻率和載荷一定的情況下，不同轉(zhuǎn)速條件下合金的抗沖擊磨損情況不一樣。低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，碳化鎢B制備的合金試樣B顯示出明顯優(yōu)勢；在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，碳化鎢C制備的合金試樣C略有優(yōu)勢。

(2)在一定條件下，通過沖擊磨損試驗(yàn)可觀察出不同廠家碳化鎢制成的合金的耐沖擊性及抗磨損綜合性能的差異。

(3)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅是不同轉(zhuǎn)速條件下得到的，后續(xù)需要進(jìn)一步地研究沖擊磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)參數(shù)設(shè)置(轉(zhuǎn)速、沖擊頻率、沖擊負(fù)荷，沖擊時(shí)間)與碳化鎢及合金沖擊磨損失效之間的關(guān)系。

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