WC粉末碳化工藝與球磨時(shí)間對亞微晶硬質(zhì)合金顯微組織與性能的影響

劉志芳，梁 瑜，鐘騰飛，郭永忠，覃偉堅(jiān)，湯昌仁

（江西鎢業(yè)控股集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330096）

由于其“雙高”特性，亞微、超細(xì)和納米硬質(zhì)合金已被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、精密制造和精密加工領(lǐng)域[1-3]?，F(xiàn)階段，硬質(zhì)合金的工業(yè)化生產(chǎn)仍廣泛采用（WC+Co+晶粒抑制劑）混合粉為原料，經(jīng)過滾筒濕磨控制WC晶粒度，其工藝流程：配料-濕磨-噴霧干燥制粒-壓制成型-低壓燒結(jié)-后續(xù)加工處理。雖然這種工藝生產(chǎn)過程中的很多因素都會(huì)影響到合金性能，如WC粉原料特性、濕磨作用、燒結(jié)作用等[2-8]。但通過優(yōu)化原料，工藝條件，制備出綜合性能優(yōu)異的亞微、超細(xì)、納米晶硬質(zhì)合金，能對生產(chǎn)實(shí)踐起到指導(dǎo)作用。為了研究亞微晶WC基硬質(zhì)合金牌號(hào)中不同的WC粉原料、濕磨工藝時(shí)間與硬質(zhì)合金顯微結(jié)構(gòu)和物理性能之間的關(guān)系以及對合金材料切削性能的影響，選擇晶粒度0.6 μm的棒材產(chǎn)品亞微晶硬質(zhì)合金牌號(hào)WC-12.0%Co-抑制劑進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)研究

采用普通碳化工藝生產(chǎn)的WC006、高溫碳化工藝生產(chǎn)的WC006亞微米級(jí)WC粉為原料；晶粒長大抑制劑VC和Cr3C2的FSSS粒度0.8 μm[9]。對制備的亞微晶碳化鎢用捷克Inspect F50 SEM電鏡觀察形貌和粒度，用英國Mastersizer2000馬爾文激光粒度分布儀測量粒度分布。以成分為WC-12.0%Co-抑制劑的亞微晶硬質(zhì)合金牌號(hào)作為研究對象，研究不同WC粉原料、濕磨工藝時(shí)間對合金顯微結(jié)構(gòu)和物理性能的影響，以及對硬質(zhì)合金刀具切削性能的影響。

將這兩種不同工藝生產(chǎn)的WC粉、Co粉、晶粒抑制劑VC、Cr3C2以及成型劑PEG，在300 L滾動(dòng)式球磨機(jī)中進(jìn)行濕磨，分別在濕磨過程中的42 h，48 h，54 h，60 h，66 h，72 h，78 h，84 h 工藝時(shí)間點(diǎn)取樣，經(jīng)過真空干燥箱干燥、擦碎過篩得到混合料在125MPa壓制壓力下模壓成型，得到長24.3 mm、寬6.6 mm、高為8.1 mm的B試樣壓坯。最后將試樣壓坯以石墨舟裝載，在脫蠟-加壓一體燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為1 410℃下保溫60 min。將燒結(jié)后的合金試樣在法國D6025鈷磁測量儀上測定合金試樣的鈷磁。在韓國SJ-CM-2000型矯頑磁力上測定合金試樣的矯頑磁力。采用300#金剛石砂輪在平面磨床上對合金試樣表面進(jìn)行研磨，最終得到尺寸長20.1±0.1 mm，寬 6.6±0.1 mm，高 5.35±0.1 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，并在CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測試標(biāo)準(zhǔn)試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，每批試樣測6根（編號(hào)1～6）。將表面研磨后的試樣在硬度計(jì)上測試洛氏硬度，最后對試樣切割、鑲嵌、研磨、拋光、腐蝕后，在德國Carl Zeiss Axiovert 40 MAT金相顯微鏡和捷克Inspect F50掃描電鏡下觀察合金顯微結(jié)構(gòu)，使用掃描電鏡抗彎試樣條斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同碳化工藝對碳化鎢粉末物理性能的影響

圖1為兩種WC粉末不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖。兩種WC粉末原料檢測數(shù)據(jù)如表1所示。從圖1可見高溫碳化后的WC粉末粒度更均勻，少團(tuán)聚。普通碳化WC粉末中存在一定數(shù)量的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體晶粒細(xì)，結(jié)晶不完整，在合金液相燒結(jié)過程中更易于溶解到鈷相中，析出到其他晶粒上易造成異常長粗晶粒[4-8]。采用激光粒度分布檢測兩種碳化鎢，兩種不同碳化工藝制備的碳化鎢粉末的粒度分布如圖2所示，高溫碳化WC粉末，粒度分布峰高且尖，這與粉末溫度均勻性優(yōu)、最終產(chǎn)品又經(jīng)過氣流破碎工藝有關(guān)。普通碳化WC粉末，粒度分布峰偏矮、分布寬度偏寬，說明普通碳化WC粉末團(tuán)聚嚴(yán)重，均勻性差。這樣的檢測結(jié)果與WC粉掃描電鏡觀測結(jié)果相符。

圖1 粉末掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.1 SEM images of powder samples

圖2 不同碳化工藝WC粉激光粒度分布Fig.2 Laser particle size distribution of WC powder by different technologies

表1 WC原料檢測結(jié)果Tab.1 Testing results of WC raw material

2.2 濕磨時(shí)間對矯頑磁力的影響

對WC-12.0%Co-抑制劑材質(zhì)牌號(hào)，采用普通碳化工藝和高溫碳化工藝生產(chǎn)的WC原料做了不同濕磨時(shí)間試驗(yàn)，每種原料做了兩批試驗(yàn)，高溫碳化WC006原料8M1213/8M1214，普通碳化WC006原料8M1211/8M1212試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 濕磨時(shí)間對合金矯頑磁力的影響Fig.3 Effect of wet grinding time on the coercive force of alloy

圖3中試驗(yàn)結(jié)果反映出WC-12.0%Co-抑制劑材質(zhì)牌號(hào)的濕磨工藝時(shí)間在42～84 h范圍內(nèi)，矯頑磁力值隨濕磨工藝時(shí)間的變化規(guī)律：隨著濕磨時(shí)間延長，矯頑磁力上升，直到60～72 h范圍呈現(xiàn)峰值；進(jìn)一步延長濕磨工藝時(shí)間，則矯頑磁力值繼續(xù)下降。特別指出：當(dāng)濕磨工藝時(shí)間在60～72 h這個(gè)范圍內(nèi)，矯頑磁力值不但處于峰值，而且濕磨時(shí)間對矯頑磁力的影響是很小的。

圖3揭示的濕磨時(shí)間對亞微晶硬質(zhì)合金矯頑磁力的影響變化趨勢，可用WC粉體“團(tuán)聚體”的形成及分散效應(yīng)作解釋?！坝矆F(tuán)聚體”通過固體的鍵橋作用等較強(qiáng)的化學(xué)相互作用力形成[10-12]。兩種亞微WC粉，其制粉工藝都采用了“氣流化破碎”技術(shù)，在WC原料粉體中的團(tuán)聚現(xiàn)象都是以“軟團(tuán)聚體”為主。

在WC-12.0%Co-抑制劑牌號(hào)粉的濕磨過程中，隨著球磨作用的明顯加大，在油酸、PEG濕磨分散劑的作用下，WC粉體中的軟團(tuán)聚體得到分散，硬團(tuán)聚體、多晶顆粒甚至單晶顆粒都有可能得到破碎，VC、Cr3C2在球磨料中的均勻性得到提高，對燒結(jié)合金晶粒長大的抑制作用得到發(fā)揮，因此提高了鈷相在球磨料中的分散度[11]。因此在濕磨時(shí)間從42 h到60 h左右的第二階段，硬質(zhì)合金的矯頑磁力隨濕磨時(shí)間的延長而上升。再之后濕磨時(shí)間長達(dá)66 h的第三階段，則認(rèn)為“強(qiáng)化球磨”導(dǎo)致了WC晶體長粗，因此出現(xiàn)矯頑磁力隨濕磨時(shí)間的持續(xù)延長而下降的趨勢。超細(xì)WC-Co混合粉隨著濕磨時(shí)間的延長，合金晶粒度出現(xiàn)小程度粗化；混合料濕磨60 h時(shí)合金抗彎強(qiáng)度達(dá)到最高，隨后降低。

針對WC-12.0%Co-抑制劑牌號(hào)合金，在濕磨時(shí)間對硬質(zhì)合金組織結(jié)構(gòu)的影響方面做了相應(yīng)的金相檢測和電鏡分析，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如圖1（d）普通碳化WC粉原料檢測聚晶現(xiàn)象比較嚴(yán)重的，則在同等生產(chǎn)條件下制備出來的硬質(zhì)合金中就存在聚晶如圖4（d）。同一批普通碳化WC粉混合料，濕磨時(shí)間從42 h到82 h的不同時(shí)間點(diǎn)取樣鑒定做組織檢查的結(jié)果表明，當(dāng)濕磨時(shí)間低于60h，特別在42h以下，晶粒組織中聚晶數(shù)量相對較多；當(dāng)濕磨時(shí)間60 h以上，則合金中聚晶數(shù)量相對較少如圖4（d）。隨著球磨時(shí)間增加，合金中的團(tuán)聚體能有效打開，減少聚晶，改善合金顯微組織。硬質(zhì)合金生產(chǎn)中合適的球磨時(shí)間既節(jié)約時(shí)間降低生產(chǎn)成本，又可以生產(chǎn)出性能更佳的合金提升產(chǎn)品質(zhì)量，所以探究合適的球磨時(shí)間具有非常重要的意義。經(jīng)試驗(yàn)探究，對于亞微晶硬質(zhì)合金，60h是最佳的球磨時(shí)間。

采用低壓燒結(jié)工藝將亞微碳化鎢制備成WCCo合金，再檢測合金晶粒度的均勻性是評判碳化鎢質(zhì)量最可靠的方法[4]。高溫碳化WC粉末，在濕磨時(shí)間點(diǎn)48 h、56 h、60 h、66 h料漿取樣做金相鑒定的結(jié)果幾乎都沒有聚晶、夾粗現(xiàn)象。這就說明高溫碳化WC粉末制備的合金基本上不用擔(dān)心聚晶、夾粗的問題。如圖4、圖5，金相顯微鏡，SEM結(jié)果也表明高溫碳化WC晶粒的均勻性要優(yōu)于普通碳化WC晶粒，高溫碳化WC制備的合金中幾乎不存在聚晶夾粗，而普通碳化WC制備的合金中一般存在聚晶夾粗。文獻(xiàn)[3-4]中提到夾粗WC晶?；騑C團(tuán)聚體的硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)，與沒有缺陷或WC晶粒完全均勻的完美結(jié)構(gòu)相比，這類結(jié)構(gòu)缺陷降低了強(qiáng)度和其他性能，如耐磨性。而這種類型的缺陷根本無法通過燒結(jié)去除。

如表2所示，球磨時(shí)間60 h高溫碳化WC制備的合金抗彎強(qiáng)度平均值比普通碳化WC制備的合金的要高，而且普通碳化WC制備合金中存在一根強(qiáng)度異常的試樣條，經(jīng)過SEM斷口觀察如圖6（a）所示，發(fā)現(xiàn)是晶粒異常長大造成的抗彎強(qiáng)度異常偏低，還有聚晶也是造成強(qiáng)度異常的原因如圖6（b）所示。

圖4 濕磨時(shí)間60 h的亞微晶硬質(zhì)合金金相組織Fig.4 Metallographic structure of submicrocrystalline cemented carbide with wet grinding time of 60 h

圖5 球磨時(shí)間60 h的亞微硬質(zhì)合金組織Fig.5 Submicron cemented carbide structure with 60 h ball milling time

表2 球磨時(shí)間60 h兩種碳化鎢制備合金的抗彎強(qiáng)度Tab.2 Bending strength of alloy prepared by two kinds of tungsten carbide with ball milling time of60h

圖6 普通碳化WC006亞微晶硬質(zhì)合金的SEM斷口形貌Fig.6 SEM fracture morphology of ordinary carbonized WC006 submicrocrystalline cemented carbide

3 結(jié) 論

（1）用高溫碳化WC006粉作原料比用普通碳化WC006粉作原料生產(chǎn)的亞微晶硬質(zhì)合金有更好的顯微組織結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)在金相組織的均勻性好，聚晶與夾粗少，這是由原料的物理性能決定的。

（2）兩種碳化工藝WC原料制備合金的矯頑磁力隨濕磨時(shí)間的延長而增加，直到60～72 h呈現(xiàn)峰值；進(jìn)一步延長濕磨工藝時(shí)間，則矯頑磁力開始下降。

（3）隨著球磨時(shí)間增加，合金中的團(tuán)聚體能有效打開，減少聚晶，改善合金顯微組織，60 h球磨時(shí)間制備的合金，顯微組織、性能和生產(chǎn)效率最佳，是生產(chǎn)亞微晶硬質(zhì)合金最合適的球磨時(shí)間。