梯度硬質(zhì)合金齒滲碳工藝對其梯度層厚度的影響

許林，張烈華，王晉春

(中石化石油機械股份有限公司，湖北 武漢 430223)

梯度硬質(zhì)合金齒滲碳工藝對其梯度層厚度的影響

許林，張烈華，王晉春

(中石化石油機械股份有限公司，湖北 武漢 430223)

提出了一種新穎的制備梯度硬質(zhì)合金材料的方法，其優(yōu)點是將不含η相、鈷均勻分布的硬質(zhì)合金基體在一定的氣氛中進行滲碳處理,從而在其表面得到一定厚度、外硬內(nèi)韌的梯度硬質(zhì)合金材料,其心部結(jié)構(gòu)均勻且不存在η相,不降低硬質(zhì)合金原材料的性能，同時其制備方法簡單，有利于工業(yè)化生產(chǎn)和批量應(yīng)用。研究了滲碳溫度、滲碳時間和滲碳氣氛對硬質(zhì)合金齒梯度層厚度的影響。結(jié)果表明，隨著梯度處理溫度的升高，硬質(zhì)合金齒梯度層厚度就越大；當(dāng)硬質(zhì)合金齒梯度處理時間短時，硬質(zhì)合金齒不會形成梯度層，隨著時間的增加，梯度層厚度也會增加；隨著硬質(zhì)合金齒梯度處理甲烷流量的增加，梯度層厚度也會隨之增加。

梯度硬質(zhì)合金齒；滲碳處理；梯度層厚度

硬質(zhì)合金材料以其優(yōu)異的耐磨性、較好的強度在刀具、建筑、礦山開發(fā)和油氣開采領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。硬質(zhì)合金齒硬度越高韌性越差，韌性越好硬度越低[1,2]。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，近年來通過對常規(guī)硬質(zhì)合金材料進行梯度處理，形成了一種外硬內(nèi)韌的材料結(jié)構(gòu)，在其表面生成一層含鈷量低、硬度較高的梯度層，既提高了表層的耐磨性，又保持了整體的韌性，很好地解決了硬質(zhì)合金材料表層的耐磨性與整體的韌性之間的矛盾。同時，梯度硬質(zhì)合金材料梯度層厚度在一定的臨界范圍內(nèi)，其厚度越大，耐磨性能越好，產(chǎn)品的使用壽命越高。

目前，國內(nèi)外制備梯度硬質(zhì)合金材料主要采用以下2種技術(shù)：一是通過對WC+Co+η三相結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金滲碳處理制備梯度硬質(zhì)合金；二是通過將鈷含量不同或晶粒度不同的2種硬質(zhì)合金材料壓制在一起，再進行燒結(jié)制備梯度硬質(zhì)合金。這2種技術(shù)已在部分領(lǐng)域應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟效益。不過由于其心部含有大量的η相或心部結(jié)構(gòu)不均勻,嚴重降低了材料的強度，從而影響其使用范圍。為此，筆者通過研究一種與前2種技術(shù)不同的硬質(zhì)合金材料梯度處理工藝，提出了一種新穎的制備梯度硬質(zhì)合金材料的方法。

1 新型梯度硬質(zhì)合金齒制備機理

圖1為WC-Co硬質(zhì)合金的三元相圖。圖1中陰影部分為Co(固相)+ Co(液相)+WC三相區(qū)，這個三相區(qū)內(nèi)WC-Co硬質(zhì)合金中固態(tài)Co與液態(tài)Co的比例與碳的含量有關(guān)，當(dāng)碳含量高時，此處的液態(tài)Co的比例也較高，當(dāng)碳含量低時，該處的液態(tài)Co比例也較少。由于液態(tài)Co具有流動性，碳含量的不同可以驅(qū)動液態(tài)Co從液態(tài)Co高比例區(qū)域流向液態(tài)Co低比例區(qū)域。Guo J等[3,4]用液相壓力差原理，解釋了鈷相梯度形成的機理，主要有以下2種原則：一是Co(固相)+Co(液相)+WC三相區(qū)內(nèi)液態(tài)Co的體積含量主要取決于該區(qū)域碳的含量；二是由于液相壓力差，液態(tài)Co會從液態(tài)Co含量高的區(qū)域向液態(tài)Co含量低的區(qū)域遷移。

圖2和圖3是研制的梯度硬質(zhì)合金齒齒頭和齒身的金相圖[5]，梯度硬質(zhì)合金齒齒頭的鈷含量要低于齒身的鈷含量。

圖1 WC-Co三元相圖

筆者在相對成熟的梯度硬質(zhì)合金材料制備工藝條件下，通過對滲碳溫度、滲碳時間和滲碳氣氛等工藝的調(diào)整，可得到不同厚度的合金表層梯度層，通過對梯度硬質(zhì)合金材料維氏硬度的檢測來確定其梯度層厚度。具體方法是將梯度硬質(zhì)合金材料從中間剖開后，在一定力的條件下，先對其心部進行維氏硬度檢測，然后從其表面開始沿著軸線方向向其心部，每隔一定距離進行維氏硬度檢測，當(dāng)出現(xiàn)某一點的硬度值與其心部硬度值相當(dāng)時，做一個硬度隨距離的分布圖，硬度的最小值對應(yīng)的距離即為該材料的梯度層厚度。

2 滲碳溫度對梯度層厚度的影響

在圖1中的液態(tài)Co+WC兩相區(qū)域內(nèi)對硬質(zhì)合金齒進行滲碳處理，采用10%Co的硬質(zhì)合金齒分別在1350、1360和1370℃滲碳條件下進行梯度處理，其他工藝條件相同，將梯度處理后的硬質(zhì)合金齒進行性能檢測，沒有游離碳出現(xiàn)，其顯微硬度分布圖見圖4(圖中1#、2#和3#分別代表該梯度處理工藝條件下檢測的3個試樣的編號，下同)。

從圖4可以看出，通過梯度處理后的硬質(zhì)合金齒其表面硬度比心部硬度都要高200單位左右，且硬度分布值一致性好，梯度層厚度均勻性好。 在1350℃梯度處理條件下，梯度層厚度在1000μm左右；在1360℃梯度處理條件下，梯度層厚度在2000μm左右；在1370℃梯度處理條件下，梯度層厚度在3000μm左右；隨著溫度的升高，爐內(nèi)的活性碳含量增多，有利于碳在硬質(zhì)合金齒表面的擴散，液態(tài)鈷的流動性更好，其梯度層厚度就越厚。但是通過后期試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滲碳溫度達到臨界值，隨著溫度的繼續(xù)升高，爐內(nèi)的碳勢增大，就會在硬質(zhì)合金齒表面沉積大量的碳，從而導(dǎo)致硬質(zhì)合金齒表面出現(xiàn)游離碳，降低了其性能，因此滲碳溫度不能過高。

3 滲碳時間對梯度層厚度的影響

采用10%Co的硬質(zhì)合金齒進行梯度處理，處理時間分別在40、60和90min，滲碳溫度為1340℃，其他升溫速率和保溫時間相同，將梯度處理后的硬質(zhì)合金齒進行性能檢測，沒有游離碳出現(xiàn)，其顯微硬度分布圖見圖5。

圖5 不同滲碳時間的梯度處理硬度分布圖

從圖5可以看出，當(dāng)梯度處理時間為40min時，硬質(zhì)合金齒中沒有梯度層產(chǎn)生；當(dāng)滲碳時間為60min時，硬質(zhì)合金齒中有梯度層產(chǎn)生，且厚度為500μm左右；當(dāng)滲碳時間為90min時，硬質(zhì)合金齒中有梯度層產(chǎn)生，且厚度為1000μm左右。這主要是因為梯度處理時間短時，硬質(zhì)合金齒內(nèi)沒有形成碳勢梯度，就不會形成梯度層；隨著時間的延長，當(dāng)硬質(zhì)合金齒內(nèi)有碳勢梯度時，就會形成硬度梯度，而隨著時間的進一步延長，梯度層厚度也會明顯增加。但是通過后期試驗研究發(fā)現(xiàn)，滲碳時間超過臨界值后，隨著滲碳時間的延長，梯度硬質(zhì)合金齒的梯度層厚度增加會很緩慢。

4 甲烷流量對梯度層厚度的影響

采用10%Co的硬質(zhì)合金齒進行梯度處理，甲烷流量分別為0.1、0.2、0.3和0.4L/min，滲碳溫度、滲碳時間、升溫速率和保溫時間等工藝條件相同，將梯度處理后的硬質(zhì)合金齒進行性能檢測，當(dāng)甲烷流量為0.4L/min時，合金齒有游離碳出現(xiàn)，其產(chǎn)品不合格。其余3種流量下的顯微硬度分布圖見圖6。

圖6 不同甲烷流量的梯度處理硬度分布圖

從圖6可以看出，當(dāng)甲烷流量為0.1L/min時，硬質(zhì)合金齒中有梯度層產(chǎn)生，且厚度為700μm左右；當(dāng)甲烷流量為0.2L/min時，硬質(zhì)合金齒中有梯度層產(chǎn)生，且厚度為900μm左右；當(dāng)甲烷流量為0.3L/min時，硬質(zhì)合金齒中有梯度層產(chǎn)生，且厚度為1100μm左右。同時，當(dāng)甲烷流量為0.4L/min時，硬質(zhì)合金齒表面形成的游離碳會對其性能造成不利的影響，不適用于產(chǎn)品的使用。隨著硬質(zhì)合金齒梯度處理甲烷量的增加，其表層碳含量會增加，梯度層厚度也會隨之增加，當(dāng)時間達到一臨界值時，其表面的碳會增多，就會富集在表層而形成游離碳。

5 結(jié)論

1)通過對無η相WC-Co硬質(zhì)合金的表面進行滲碳處理，在一定的工藝條件下，可以制備外硬內(nèi)韌的梯度硬質(zhì)合金材料；

2)隨著硬質(zhì)合金齒梯度處理溫度的升高，其梯度層厚度就越大，但當(dāng)滲碳溫度達到臨界值，溫度繼續(xù)升高，就會導(dǎo)致硬質(zhì)合金齒表面出現(xiàn)游離碳，造成產(chǎn)品不合格；

3)當(dāng)硬質(zhì)合金齒梯度處理時間短時，硬質(zhì)合金齒不會形成梯度層；隨著時間的增加，會形成硬度梯度，且梯度層厚度也會增加，當(dāng)滲碳時間達到臨界值時，滲碳時間延長，梯度硬質(zhì)合金齒的梯度層厚度增加很緩慢；

4)隨著甲烷流量的增加，梯度硬質(zhì)合金齒的梯度層厚度也會隨之增加，當(dāng)甲烷流量達到一臨界值時，就會富集在表層而形成游離碳，造成產(chǎn)品不合格；

5)當(dāng)滲碳溫度為1350℃，滲碳時間為90min，甲烷流量為0.3L/min時，梯度硬質(zhì)合齒能獲得最佳的梯度層厚度。

[1]侯克忠，楊慧敏，白佳聲，等. 超細晶WC-Co硬質(zhì)合金的發(fā)展及其應(yīng)用[J].粉末冶金工業(yè)，2005,15 (5): 41～45.

[2] 林晨光.中國超細晶粒WC-Co硬質(zhì)合金研究進展[J]. 稀有金屬，2004，28(4): 762～766.

[3]Guo J, Fang Z Z,Fan P,et al. Kinetics of the formation of metal binder gradient in WC-Co by carbon diffusion induced liquid migration[J]. Acta Materialia, 2011, 59(11):4719～4731.

[4]Guo J,Fan P, Wang X, et al. A novel approach for manufacturing functionally graded cemented tungsten carbide composites [J].International Journal of Powder Metallurgy, 2001, 47(3):55～62.

[5] 田紅平，張烈華,許林.梯度硬質(zhì)合金齒牙輪鉆頭開發(fā)與應(yīng)用研究 [J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2015，12(7)：41～44.

[編輯] 洪云飛

2017-01-17

國家科技重大專項(2016ZX05038-005)。

許林(1983-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事硬質(zhì)合金、浸漬合金方面的研究工作，9992839@qq.com。

TG135.5；TG174.4

A

1673-1409(2017)09-0033-05

[引著格式]許林，張烈華，王晉春.梯度硬質(zhì)合金齒滲碳工藝對其梯度層厚度的影響[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017,14(9)：33～37.