Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金性能的影響

王明勝

(廈門(mén)金鷺特種合金有限公司，福建 廈門(mén)361006)

0 引言

中、粗晶硬質(zhì)合金作為一種工具材料，在斷裂韌性、抗熱疲勞性能和高溫硬度等方面具有優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于地礦工具、石油鉆采、沖壓模具、高溫高壓合成部件等領(lǐng)域[1，2，3]。 Co 作為目前硬質(zhì)合金最佳的粘結(jié)劑，其形貌、Fsss粒度不僅對(duì)硬質(zhì)合金的生產(chǎn)工藝造成影響，而且對(duì)硬質(zhì)合金的性能也有較大的影響。汪中瑋等在研究Co粉形貌對(duì)硬質(zhì)合金性能的報(bào)道中表明，與枝狀Co粉相比，類(lèi)球狀Co粉能夠更均勻地分布于硬質(zhì)相之間，減少Co相分布不均勻而產(chǎn)生的Co池和微孔隙等缺陷，提高合金抗彎強(qiáng)度等性能[4]。Co粉粒度對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金性能的影響已經(jīng)有比較多的報(bào)道。吳志堅(jiān)在研究Co粉粒度對(duì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能影響的文章中指出：不同粒度的Co粉對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金的壓制性能、合金性能及金相有一定影響，其中1.0-1.5 μm粒度Co粉對(duì)應(yīng)的硬質(zhì)合金性能最佳[5]；張衛(wèi)兵在WC、Co質(zhì)量對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金性能影響的研究一文中認(rèn)為：Co粉粒度小于1.3μm時(shí)，合金的性能最優(yōu)[6]。但是，Co粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金性能影響的研究目前還鮮有報(bào)道。本文選取四種不同粒度的Co粉，兩種不同粒度的WC粉，探究Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金的壓制性能、組織結(jié)構(gòu)及合金性能的影響，以期為實(shí)際生產(chǎn)甄選出最佳Co粉粒度，為生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程

本文選取0.88 μm、1.14 μm、1.86 μm、2.68 μm四種不同F(xiàn)sss粒度的類(lèi)球狀Co粉 （如圖1所示），并選用Fsss粒度為3.02 μm 與10.1 μm的WC粉，分別按表1所示成份配料，在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)?；旌狭显?.5 L硬質(zhì)合金球磨罐中球磨 30 h，卸料、干燥、過(guò)篩、壓制成 20×15×8 mm的壓坯塊，并在低壓爐中燒結(jié)。

圖1 不同粒度Co粉的電鏡照片(×6k)

利用Genesisxm2型能譜色散X射線能譜儀檢測(cè)Co粉在壓坯中的分布，探究不同粒度Co粉對(duì)壓坯中Co分布的影響；測(cè)量、計(jì)算合金的收縮率，分析不同粒度Co粉對(duì)壓制性能的影響；合金方塊經(jīng)過(guò)拋光處理后，使用Imager.A2M型金相顯微鏡觀察合金中Co相分布及孔隙的情況，探討Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金中Co相分布等缺陷的影響；借助Hatachi日立S3700型掃描電子顯微鏡表征合金晶粒形貌，分析不同Co粉粒度對(duì)中、粗合金微組織結(jié)構(gòu)的影響；使用ZDHC40型矯頑磁力自動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量合金的矯頑磁力（HC）；使用韋氏硬度計(jì)(HVS-1000)測(cè)量合金的韋氏硬度（HV30）；使用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的CBT305電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)抗彎強(qiáng)度，JXYB305C型拉伸試驗(yàn)機(jī)短桿法檢測(cè)斷裂韌性（K1C）。研究不同Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金物理性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Co粉粒度對(duì)壓坯中Co分布的影響

壓坯中Co顆粒的結(jié)構(gòu)與分布如圖2所示，由圖2看到，對(duì)于中粒度牌號(hào)，Co粉粒度在0.8-1.5 μm時(shí)，Co在壓坯中的分布較均勻，而當(dāng)Co粉粒徑超過(guò)1.5 μm后，壓坯中Co的分布出現(xiàn)明顯不均勻現(xiàn)象。原因分析如下：這是因?yàn)楫?dāng)Co粉粒度接近或大于WC的粒度（球磨后）時(shí)，球磨過(guò)程中主要通過(guò)擠壓、攪拌、混合等相互作用，較少發(fā)生切割、鑲嵌等減小Co粉粒度的行為，濕磨過(guò)程中Co粉由圓形顆粒變形為扁平的頁(yè)片狀 （二維圖像看到的是條形或片形），Co的二維線性直徑變大，出現(xiàn)超過(guò)10μm的Co片。

表1 實(shí)驗(yàn)用原料粒度及成份配比

圖2 采用不同粒度Co粉制備的中、粗粒度牌號(hào)壓坯中Co相分布(綠色)

與中粒度牌號(hào)相比，粗粒度牌號(hào)壓坯中的Co分布規(guī)律略微不同。當(dāng)Co粉粒度在1.0-2.0之間時(shí)，Co在壓坯中的分布較均勻，當(dāng)鈷粉粒度小于1.0 μm或大于2.0 μm時(shí)，壓坯中Co的分布出現(xiàn)團(tuán)聚、不均勻現(xiàn)象。原因分析如下：當(dāng)Co粉粒度小于1.0 μm時(shí)，Co粉與WC粉粒度差異較大，在球磨過(guò)程中，細(xì)顆粒的Co粉易出現(xiàn)團(tuán)聚、偏析的現(xiàn)象，反而不利于濕磨過(guò)程中Co粉的分散。而當(dāng)Co粉粒度大于2.0 μm后壓坯中Co分布也變得不均勻，與中粒度牌號(hào)的原因類(lèi)似。

2.2 Co粉粒度對(duì)收縮率的影響

各混合料在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成濕磨，并對(duì)混合料干燥后進(jìn)行壓制、燒結(jié)，所測(cè)合金的收縮率（壓制方向）如圖3所示。

圖3 Co粉粒度對(duì)中粗硬質(zhì)合金收縮率的影響

圖3(a)中，同樣壓制壓力的情況下，中粒度合金的收縮率隨Co粉粒度的增加而減小，其中采用0.88 μm和1.14 μm的樣品收縮率基本一致。圖3(b)中，同樣壓制壓力的情況下，粗粒度合金的收縮率隨Co粉粒度的變化規(guī)律和中粒度基本一致，其中采用0.88μm和1.14μm的樣品收縮率比較接近，采用1.14 μm的Co的樣品收縮率略大，應(yīng)該是制樣過(guò)程吸氧量及檢測(cè)誤差所致。

分析原因如下：Co粉在壓坯中的分布及大小直接影響著合金收縮率的大小。一方面，由于Co粉越細(xì)，其氧含量越高，壓坯的壓制壓力相應(yīng)也越大[7]；另一方面，Co粉越粗，比表面積越小，松比和振實(shí)密度越大，球磨干燥后混合料的松比也越大，在同樣壓制壓力的情況下，壓制過(guò)程中壓力衰減較小，壓坯密度較大，燒結(jié)后收縮率越小。

2.3 Co粉粒度對(duì)中、粗合金顯微結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金中Co相分布的影響

圖4為采用不同粒度Co粉制備的中、粗粒度合金的金相照片。由圖4可得，經(jīng)過(guò)燒結(jié)過(guò)程中WC骨架的收縮和Co相的擴(kuò)散，合金中的Co相分布比壓坯中更加均勻，但整體規(guī)律和壓坯中Co 的分布基本一致。 從圖 4 中的（4）、（5）、（8）來(lái)看，壓坯中Co分布較差時(shí)，合金中Co相分布也相對(duì)略差。

圖4 采用不同粒度Co粉制備的中、粗粒度合金金相照片（×1000倍）

2.3.2 Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金晶粒形貌的影響

圖5為采用不同粒度Co粉制備的中、粗粒度硬質(zhì)合金的電鏡照片。由圖5可得，WC原料相同的硬質(zhì)合金的晶粒形狀相似，棱角較分明，呈較規(guī)則的多邊形狀，不同粒度的Co粉對(duì)合金的晶粒形貌基本無(wú)影響。

圖6為各樣品的WC晶粒分布圖。由圖6（a）可知，對(duì)于中粒度合金，合金平均晶粒度隨Co粉粒度先減小后增加，當(dāng)Co粉粒度為1.14 μm時(shí)，合金平均晶粒度最小。但當(dāng)Co粉粒度超過(guò)1.5 μm時(shí)，合金中出現(xiàn)較多大于6 μm晶粒，粗大WC晶粒出現(xiàn)的概率增加。分析原因如下：當(dāng)Co粉小于1 μm時(shí)，Co粉太細(xì)，Co相的表面能較大，燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)液相的時(shí)間較早，在同樣的燒結(jié)工藝下，增加了液相量和液相燒結(jié)時(shí)間，加劇了WC的溶解、析出、再結(jié)晶，促進(jìn)WC晶粒長(zhǎng)大；當(dāng)Co粉粒度超過(guò)1.5μm后，由于壓坯中Co相分布明顯不均勻，一方面增加了WC的臨界度，加劇了WC之間的合并，增大了WC晶粒，另一個(gè)方面增加了局部WC的溶解、析出再結(jié)晶的程度，導(dǎo)致個(gè)別晶粒的異常長(zhǎng)大，出現(xiàn)較多大于6μm的晶粒，且晶粒異常長(zhǎng)大的概率較大。

圖5 采用不同粒度Co粉制備的中、粗粒度合金的WC晶粒形貌

圖6 不同Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金晶粒大小及分布的影響

由圖6（b）可知，對(duì)于粗粒度合金，合金平均晶粒度的變化規(guī)律與中粒度基本一致，但Co粉粒度為0.88 μm時(shí)，平均晶粒度粗化明顯，除上述影響因素外，主要的因素是：Co粉在0.88 μm時(shí)，振實(shí)密度較小，同樣重量的物料體積較小，致使同樣球料比的情況下球磨強(qiáng)度變?nèi)?。另外，Co粉粒度在1.0-2.0μm區(qū)間時(shí)，對(duì)粗粒度合金的平均晶粒度的影響不如中粒度合金明顯。

2.5 Co粉粒度對(duì)合金性能的影響

2.5.1 Co粉粒度對(duì)矯頑磁力(HC)及硬度（HV30）的影響

圖7為Co粉粒度對(duì)矯頑磁力（HC）和硬度（HV30）的影響。圖7(a)中，隨著Co粉粒度增加，HC先增加后減小，與合金的平均晶粒的變化趨勢(shì)相吻合（與平均晶粒成反比）。在WC-Co硬質(zhì)合金中，合金的矯頑磁力與合金WC的晶粒度成反比[8]，平均晶粒度越大，Co相的平均自由程越大，而Co相的平均自由程是影響合金的HC大小的主要因素。Co相平均自由程越小，HC越高；反之，Co相平均自由程越大，則HC越低。圖7(b)中，中、粗粒度合金的硬度變化均較小，且變化規(guī)律為隨Co粉粒度的增加而略微降低。

2.5.2 Co粉粒度對(duì)抗彎強(qiáng)度（TRS）及斷裂韌性（KIC）的影響

圖7 Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金矯頑磁力(HC)和硬度（HV30）的影響

圖8為Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度（TRS）和斷裂韌性（KIC）的影響。由圖 8(a)可知，隨著Co粉粒度的增加，中、粗粒度合金的抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，變化規(guī)律和矯頑磁力基本一致。由圖8(b)所示，中粒度合金的斷裂韌性隨著Co粉粒度增加先減小后增大，變化規(guī)律與平均晶粒一致；與中粒度合金的規(guī)律不同的是，粗粒度合金的斷裂韌性隨Co粉粒度增加而增大。

圖8 Co粉粒度對(duì)中、粗硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度（TRS）和斷裂韌性(KIC)的影響

3 結(jié)論

(1)Co粉粒度對(duì)Co在壓坯中的分布影響明顯，對(duì)于中粒度合金，Co粉粒度在0.8-1.5 μm之間時(shí)，分布較均勻； 對(duì)于粗粒度合金，Co粉粒度在1.0-2.0μm之間時(shí)，分布較為均勻。經(jīng)過(guò)燒結(jié)后，合金中Co相分布規(guī)律與壓坯中Co分布的規(guī)律基本一致，但不均勻現(xiàn)象明顯減弱。

(2)Co粉粒度對(duì)中、粗粒度牌號(hào)收縮率影響明顯，基本規(guī)律為收縮率隨Co粉粒度的增加而減小。

(3)Co粉粒度對(duì)中、粗粒度牌號(hào)的晶粒分布、矯頑磁力、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性均有一定的影響，但對(duì)硬度影響不大。

（4）綜合合金各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)于中粒度牌號(hào)，Co粉粒度選擇0.8-1.5 μm比較適宜，對(duì)于粗粒度牌號(hào)，Co粉粒度選擇1.5-2.0μm比較適宜。