硬質(zhì)合金破損機(jī)理及評(píng)價(jià)

顏 娟,劉方舟,蘇 偉,易長賓

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢 643011)

硬質(zhì)合金破損機(jī)理及評(píng)價(jià)

顏 娟,劉方舟,蘇 偉,易長賓

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢 643011)

硬質(zhì)合金廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,其服役環(huán)境復(fù)雜,所以研究硬質(zhì)合金的破損機(jī)理及評(píng)價(jià)機(jī)制,對(duì)于提高硬質(zhì)合金的使用性能具有重要的指導(dǎo)意義。綜述了硬質(zhì)合金破損機(jī)理(熱應(yīng)力、電化學(xué)腐蝕、磨粒磨損、沖擊載荷),指出硬質(zhì)合金在使用時(shí)同時(shí)受多種因素的共同作用,但破損失效的主要形式是不同的,為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)硬質(zhì)合金破損失效機(jī)理和評(píng)估材料抗破損特性提供一定的參考。

硬質(zhì)合金;破損機(jī)理;材料評(píng)估

1 引言

硬質(zhì)合金因具有高硬度、高紅硬性和良好耐磨性等特點(diǎn),號(hào)稱“現(xiàn)代工業(yè)的牙齒”,廣泛地應(yīng)用于金屬切削、礦山采掘、石油鉆探等領(lǐng)域[1-2]。在實(shí)際使用中,硬質(zhì)合金通常嵌入到工具的耐磨部分,由于受力條件、工作環(huán)境復(fù)雜,在使用過程或者加工過程中會(huì)出現(xiàn)破損的情況。材料在循環(huán)載荷下的斷裂不僅取決于其強(qiáng)度值,還決定于它的塑性變形能力,了解硬質(zhì)合金的斷裂機(jī)理和提高其使用壽命是硬質(zhì)合金研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。目前,硬質(zhì)合金的報(bào)道中關(guān)于強(qiáng)度的研究較多,而關(guān)于其韌性和疲勞性能的研究較少。我國是世界硬質(zhì)合金的原料基地,也是世界硬質(zhì)合金的生產(chǎn)與消耗大國,為了提高我國硬質(zhì)合金企業(yè)在國際市場(chǎng)上特別是高端產(chǎn)品領(lǐng)域的核心競爭力,必須加強(qiáng)原始創(chuàng)新的提升,特別是對(duì)疲勞、斷裂等基礎(chǔ)問題的研究需要有大的突破。以下綜合評(píng)述了近年來國內(nèi)外硬質(zhì)合金破損原因的研究成果和評(píng)價(jià)方法。

2 常見的硬質(zhì)合金破損機(jī)理分類

2.1 熱應(yīng)力

在溫度周期性變化條件下工作的硬質(zhì)合金,由于硬質(zhì)相(WC、TiC、TaC等)晶粒與粘結(jié)相(Co,Ni, Fe等)的熱膨脹系數(shù)差別很大所產(chǎn)生的高應(yīng)力而引起熱裂紋的生成與擴(kuò)展。早在40年代,Boston最先報(bào)告了硬質(zhì)合金刀具在銑削過程中前刀面上出現(xiàn)熱裂紋[3],Zorev提出了拉應(yīng)力理論用來解釋熱裂紋的擴(kuò)展[4],該理論認(rèn)為,在非連續(xù)切削間刀具迅速冷卻下來,致使刀面溫度低于刀體溫度,于是便產(chǎn)生拉應(yīng)力。裂紋在硬質(zhì)合金表面形核后,熱應(yīng)力使裂紋沿硬質(zhì)相和粘結(jié)相的界面擴(kuò)展。利用高頻加熱器加熱WC-20%硬質(zhì)合金環(huán)的方法進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)[5],將產(chǎn)品在空氣中加熱到600℃又快速冷卻下來,進(jìn)行循環(huán)加熱冷卻,在1300次時(shí)開始出現(xiàn)裂紋。圖1是硬質(zhì)合金環(huán)在循環(huán)加熱1300次、2000次和3000次的表面電鏡照片。從圖中可以看出,在1300次熱循環(huán)后,隨著熱循環(huán)次數(shù)的上升,裂紋開始擴(kuò)展,發(fā)展成為熱疲勞的典型特征——龜裂紋[6]。

圖1 WC-20%Co硬質(zhì)合金環(huán)在循環(huán)加熱的SEM

2.2 電化學(xué)腐蝕

當(dāng)硬質(zhì)合金處于潮濕的空氣或浸泡在溶液中時(shí),其金屬粘結(jié)相(Co,Ni,Fe等)、碳化物硬質(zhì)相(WC、TiC、TaC等)和溶液中的(H2O、O2、H+)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下:

通過標(biāo)準(zhǔn)氧化/還原電極電位,計(jì)算出腐蝕電池的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能,例如:

從熱力學(xué)角度判據(jù)可知,在酸性溶液中,金屬粘結(jié)相可以發(fā)生電析氫反應(yīng),在堿性和中性溶液中,金屬粘結(jié)相和碳化物硬質(zhì)相均能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。不同粘結(jié)相電位不同,所以在同樣的環(huán)境中腐蝕速率不同。圖2 WC-9%Ni硬質(zhì)合金在模擬海水—NaCl溶液中,浸泡前和浸泡8周后的表面形貌。從圖中可以看出,粘結(jié)相腐蝕嚴(yán)重,大部分硬質(zhì)相晶粒形狀開始暴露出來[7-8]。

圖2 WC-9%Ni在模擬海水中浸泡前后表面形貌的變化

2.3 磨粒磨損

硬質(zhì)合金磨粒磨損分為軟磨損和硬磨損[9]。軟磨損的機(jī)理為粘結(jié)相的移除和WC晶粒的脫落,硬磨損的機(jī)理主要是磨粒造成的WC顆粒的變形及破碎。硬質(zhì)合金研磨時(shí)影響其表面的因素主要有兩個(gè),即施加的力和局部溫度。圖3為某規(guī)格的金剛石砂輪研磨硬質(zhì)合金的表面形貌,從圖中可以看出硬質(zhì)合金磨粒磨損包括塑性犁溝的形成,粘結(jié)相的擠出與移除,WC顆粒的變形、斷裂與破碎[10-12],從而形成裂紋以及破碎。

圖3 某規(guī)格的金剛石砂輪研磨硬質(zhì)合金的表面形貌

2.4 沖擊載荷

沖擊疲勞是材料在循環(huán)沖擊載荷下,即使應(yīng)力未能達(dá)到硬質(zhì)合金的強(qiáng)度極限,但在交變的沖擊壓縮和拉伸應(yīng)力作用下,產(chǎn)生疲勞裂紋的現(xiàn)象[12-13]。在硬質(zhì)合金里粘結(jié)相是疲勞敏感介質(zhì),在外界沖擊或循環(huán)應(yīng)力下,相由面心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕浇Y(jié)構(gòu),因此使得相界面脆弱,產(chǎn)生剝離。硬質(zhì)合金缺陷處(如孔隙、Co池、石墨、夾雜、脆性相、結(jié)晶不好以及弱化的晶界)和粘結(jié)相的反復(fù)塑性變形容易引起應(yīng)力集中,在沖擊載荷下,表面光滑的硬質(zhì)合金亞表面區(qū)域的缺陷位置,引起的應(yīng)力集中效應(yīng)最大,在沖擊載荷和應(yīng)力集中的綜合作用下,萌生出微裂紋。疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域與瞬斷區(qū)域存在著明顯的區(qū)別,圖4是WC-6%Co硬質(zhì)合金沖擊斷裂后的SEM照片,從圖中可以看出:穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域存在著許多的摩擦碎屑,這些碎屑的產(chǎn)生是由于疲勞裂紋在穩(wěn)定擴(kuò)展的過程中,已產(chǎn)生的裂紋面在分壓應(yīng)力的作用下相互接觸,裂紋在前進(jìn)過程中,兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng),反復(fù)的摩擦導(dǎo)致碎屑的產(chǎn)生。而在瞬斷區(qū),不會(huì)產(chǎn)生上述反復(fù)的相對(duì)的滑動(dòng),因此斷口的WC和Co相的形貌較為清晰,斷裂形貌較為接近靜載斷裂時(shí)的特征。

圖4 WC-6%Co硬質(zhì)合金宏觀斷口形貌:Ⅰ疲勞源區(qū);Ⅱ穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū);Ⅲ瞬斷區(qū)

3 幾種關(guān)于抵抗硬質(zhì)合金破損的評(píng)價(jià)方法

常規(guī)的硬質(zhì)合金性能檢測(cè)方法有表面硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性測(cè)試等等,只是這些表征結(jié)果與材料在實(shí)際工況中的性能相去甚遠(yuǎn)。因此,尋找一種表征硬質(zhì)合金材料的抵抗硬質(zhì)合金破損的方法,分析其組織演變規(guī)律和性能變化關(guān)系,了解其失效機(jī)理的方法就顯得尤為重要.

3.1 斷裂韌性

用足夠高的載荷將維氏硬度壓頭施加在材料的拋光表面上,直到壓痕棱角處產(chǎn)生裂紋。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果,裂紋總長度L與載荷P呈線性關(guān)系,即:

這種測(cè)定結(jié)果可用于確定裂紋阻力參數(shù)

該參數(shù)的單位與斷裂韌性的單位一致,和硬度H的關(guān)系可以用下式描述:

式中A與B—常數(shù)。它可以對(duì)碳化物-粘結(jié)劑試驗(yàn)組合具有高硬度和良好沖擊性的切削工具材料的潛力迅速地進(jìn)行分類。

3.2 磨粒磨損

美國ASTM B611標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的磨粒磨損的試驗(yàn)機(jī)示意圖見圖5所示,樣品被鋼輪擠壓在研磨介質(zhì)中,樣品和鋼輪之間的壓力可以通過砝碼重量調(diào)節(jié)。磨粒磨損性能采用被測(cè)試樣磨損失重量進(jìn)行評(píng)價(jià)。在一定的試驗(yàn)條件下,磨損失重量越小,說明被測(cè)試樣耐磨粒磨損性能越好。

圖5 美國ASTM B611標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的磨粒磨損的試驗(yàn)機(jī)示意圖

3.3 S-N曲線

常規(guī)的材料疲勞性能研究方法是在不同應(yīng)力水平下重復(fù)測(cè)試,直到試樣發(fā)生疲勞斷裂,記錄疲勞次數(shù),得到曲線。曲線反映了材料的基本疲勞強(qiáng)度特征,是用于估算疲勞壽命和進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)的基本試驗(yàn)。在某一應(yīng)力循環(huán)作用試樣疲勞破壞的循環(huán)數(shù)作為橫坐標(biāo),應(yīng)力強(qiáng)度作為縱坐標(biāo),繪制成曲線。每一應(yīng)力均對(duì)應(yīng)一個(gè)破壞的循環(huán)次數(shù),及相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度的水平部分,表示材料經(jīng)過無限次循環(huán)而不被破壞的最大應(yīng)力,也就是材料的疲勞極限。一般疲勞測(cè)試中,疲勞極限認(rèn)為是在樣品可承受循環(huán)周期的最大載荷,如果在循環(huán)周期后樣品沒有失效,認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)條件下試樣有無限的使用壽命。

4 展望

硬質(zhì)合金是一種重要的工具材料,而硬質(zhì)合金破損機(jī)理的研究是一個(gè)比較復(fù)雜的過程。概括來說硬質(zhì)合金破損主要是由于合金受到循環(huán)應(yīng)力、溫度的冷熱變化、磨損和電化學(xué)腐蝕等使合金微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,最后產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展,引起合金破損。合金顯微組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、微量元素和合金殘余應(yīng)力都是影響合金抵抗破損性能的主要因素,硬質(zhì)合金在正常使用過程中一般會(huì)受到多類型的共同影響并有主次之分,這將使針對(duì)合金斷裂的研究更加復(fù)雜,對(duì)硬質(zhì)合金靜態(tài)疲勞性能更加深入的研究是非常必要的,它將有更為廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 徐濤.硬質(zhì)合金高端產(chǎn)品及新材料發(fā)展趨勢(shì)分析[J].硬質(zhì)合金,2011,28:395-401.

[2] 李壯,王家君,林晨光,等.WC-Co超細(xì)硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響[J].硬質(zhì)合金,2009,26:188 -193.

[3] O.W.Boston,and W.W.Gillbert.Influence on Tool Life and Power of Nose Radius,Charmfer,and Peripheral-Cutting Edge Angle When Face-Milling a 4000-psi Cast Iron[J].Transactions of the ASME,1947,69:117～124.

[4] N.N.Zorev,.Machine Steel with a Carbide-Tripped Tool in Interrupted Heavy-Cutting Conditions[J].Russian Eng,1963,43(2):43～47.

[5] L.Emanuelli,M.Pellizzari,A.Monlinari.Thermal fatigue behaviour of WC-20Co and WC-30(CoNiCr Fe) cemented caibide[J].Int.Journal of Refractory Metals and Hard Materials.2016,6:118–124.

[6] Jan Akerman,Thoms Ericson.Cemented carbide body with improved high temperature and theromochanical properties:US,6692690B2[P].2004-02-17

[7] 姜媛媛,易丹青,李薦,等.WC-9Ni-0.57Cr硬質(zhì)合金在模擬海水中的腐蝕特性[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008,26:750-753.

[8] 易丹青,陳麗勇,劉會(huì)群,等.硬質(zhì)合金電化學(xué)腐蝕行為的研究進(jìn)展[J].硬質(zhì)合金,2012,29(4):238-253.

[9] 曹瑞軍,林晨光,馬旭東.WC-Co硬質(zhì)合金磨損性能研究進(jìn)展[J].硬質(zhì)合金,2014,31(3):179-183.

[10]Gant A J,Gee M G.Abrasion of tungsten carbide hardmetals using hard counterfaces[J].International Journal Of Refractory Metals And Hard Materials, 2006,24:189-198.

[11]方亮,Gee M G,Roebuck B.WC/Co硬質(zhì)合金的磨料磨損性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(6):431 -434.

[12]李琴,金鑫,等.地質(zhì)勘探點(diǎn)頭失效機(jī)理研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2004,26(4):73.

Mechanism and Evaluation on the Fracture Features of Cemented Carbides

YAN Juan,LIU Fangzhou,SU Wei,YI Changbin

(Zigong Cemented Carbide Corporation Limited,Zigong 643011,Sichuan,China)

Cemented carbides are widely used in industrial production,but their service environments are really complicated,the research on the fatigue performance of cemented carbide has important guiding significance for improving its service performance.In this article the property of formation and expands of fatigue cracks in cemented carbides are summerized,it's pointed out that many types of fatigue affect cemented carbide when it's working,but the main formation of fatigue is different.Thus some references are provided for further understanding the fatigue failure mechanism of cemented carbide and evaluating the fatigue resistance of materials.

cemented carbide,fatigue failure mechanism,material evalution

TG141

A

1001-5108(2017)02-0028-04

顏娟,助理工程師,主要從事硬質(zhì)合金知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理方面的工作。