WC-Co類硬質(zhì)合金制品燒結(jié)用涂料制作及使用研究

黃清松 王慧枝 候錫民 于 磊

(南昌硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，江西 南昌 330013)

1 前言

隨著硬質(zhì)合金加工行業(yè)近幾年飛速發(fā)展，硬質(zhì)合金市場環(huán)境競爭越來越激烈，客戶對硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家產(chǎn)品質(zhì)量提出更為嚴(yán)格的要求。硬質(zhì)合金壓坯經(jīng)過燒結(jié)后，會產(chǎn)生一些產(chǎn)品彎曲、變形、脫滲碳等缺陷。往往這些合金產(chǎn)品缺陷和燒結(jié)涂料選擇有關(guān)。

硬質(zhì)合金壓坯置于石墨舟板上燒結(jié)時(shí)，會發(fā)生滲碳、粘舟等問題，從而影響合金制品質(zhì)量，甚至造成大量廢品發(fā)生，當(dāng)硬質(zhì)合金成份中鈷含量高時(shí)尤其如此[1，2]。為解決上述問題，可以采用在石墨舟板表面涂敷一層保護(hù)性涂層[3，4]?，F(xiàn)有方法是：化學(xué)氣相沉積(CVD)；等離子噴涂(如用熱噴涂方法涂上一層ZrO2一稀土氧化物)；手工涂刷或機(jī)械噴涂保護(hù)性涂料；于石墨舟板和產(chǎn)品壓坯之間放置一張Al2O3紙或石墨紙。

本文選擇了手工涂刷或機(jī)械噴涂保護(hù)性涂料方法。它成本較低，所使用設(shè)備和操作簡單。于是，這里研究了燒結(jié)用涂料的成份、配比以及工藝作法等，以便更有成效地用于硬質(zhì)合金燒結(jié)過程。

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)先通過研究兩種碳素粉末單獨(dú)的成漿效果，選擇此兩種粉末合適的配比制成實(shí)驗(yàn)所需復(fù)合碳素粉；利用復(fù)合碳素粉對不同添加量Al2O3、ZrO2對WC-9%Co合金和WC-20%Co合金相關(guān)性能的影響進(jìn)行研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

涂料用碳素粉末類：N330碳黑、石墨粉。

涂料用氧化物類：Al2O3、ZrO2。

其他：復(fù)合有機(jī)溶劑、純凈水、WC-9%Co合金壓坯、WC-20%Co合金壓坯。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 碳素材料制漿

分別取三種碳素粉末，對每種粉末按照表1比例進(jìn)行配制，混合均勻制成漿，用毛刷將此漿刷在石墨槽板上，對其光滑度及均勻性進(jìn)行判定。

表1 兩種碳素制漿配比

2.2.2 各種成分配比的涂料對WC-9%Co合金壓坯燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

已有的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)表明：單純的碳素粉料涂料大體上能夠用于含鈷量較低的硬質(zhì)合金。對于含鈷量更高的硬質(zhì)合金，多數(shù)采用摻配的氧化物粉末來改善，曾經(jīng)為燒結(jié)涂料選用的氧化物有：氧化鎂、氧化鋁、氧化鋯、稀土氧化物等。本研究選用氧化鋁和氧化鋯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)合金樣品選擇WC-9%Co粗晶粒合金。

依表2所列成份做成10種不同成份涂料，分別涂敷于石墨舟上。放置尺寸為5.5mm*6.25mm*20mm長條狀WC-9%Co硬質(zhì)合金壓坯，并于1425℃燒結(jié)。對燒結(jié)后合金密度、抗彎強(qiáng)度、彎曲度、硬度、相對磁飽和以及涂料的防粘效果進(jìn)行檢測。

表2 含各種組分涂料中氧化物組成

2.2.3 各種成分配比的涂料對WC-20%Co合金壓坯燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

使用表2中編號1～9的涂料，分別涂敷于石墨舟上，放置尺寸為5.5mm*6.25mm*20mm長條狀WC-20%Co硬質(zhì)合金壓坯，并于1425℃燒結(jié)。對燒結(jié)后磁飽和、相對磁飽和以及涂料的防粘效果進(jìn)行檢測。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 涂料中碳素材料成份

碳素材料粉末都是屬于微米細(xì)粉。為了順利制成料漿，首先應(yīng)對它的成漿性能進(jìn)行判定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 各種碳素制漿效果

從表3結(jié)果中可知，純凈水與碳素材料N330碳黑、新疆碳黑、石墨粉添加量分別是4：1、1.2：1、1：1.5時(shí)制作的料漿較均勻。石墨粉最易成漿，N330碳黑成漿需要的水最多。我們用掃描電子顯微鏡對本研究采用的幾種固體原料粉末(N330碳黑、新疆碳黑、石墨粉)進(jìn)行了微觀形貌觀察，參見圖1。從微觀形貌圖中，可以看出：石墨粉顆粒較粗，成漿需要用較少的水是很自然的。N330碳黑顆粒極細(xì)(≤0.1um)，為了使其成漿顯然需要更多的水。但是從另一個(gè)角度分析，N330碳黑顆粒很細(xì)，成漿后穩(wěn)定性會好一些，不易沉淀分離。

依前所述，我們預(yù)先設(shè)定的涂料含水要求為(≤60%)。若用一種碳素粉末顯然得不到預(yù)期效果，比如N330碳黑成漿需要較多的水，使得涂料含固量太低，為了達(dá)到往石墨舟板上敷層厚度需要反復(fù)涮敷多次。這不僅廢工，而且刷涂效果也不太好。石墨粉成漿效果雖好，但其粉末顆粒粗大，懸浮能力欠佳。通過實(shí)際調(diào)配觀察本研究中確定了兩種碳素材料合適比例為：N330碳黑：石墨粉=0.5-1.0：0.5-2.0。當(dāng)把這種配比的碳素材料(下文稱復(fù)合碳素粉)經(jīng)過適當(dāng)?shù)那蚰ヌ幚砗眉纯芍谱骱俊?0%漿液穩(wěn)定性良好的燒結(jié)涂料。

圖1 (a)N330碳黑(5000倍)(b)石墨粉(5000倍)

3.2 各種成分配比的涂料對WC-9%Co合金壓坯燒結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在表4和圖2及圖3中。

表4 不同涂料燒結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(WC-9%Co)

根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

(1)所研究的每種成份涂料均能有效地防止WC-9%Co合金產(chǎn)品和石墨舟皿燒結(jié)時(shí)的粘結(jié)。

(2)調(diào)整涂料成份可以實(shí)現(xiàn)涂料的一次使用或者多次使用。

(3)本涂料研究中取得另一結(jié)果。燒結(jié)涂料成份中氧化鋁添加量增加，會使燒結(jié)合金長條制品燒結(jié)變形增加。而燒結(jié)涂料成份中氧化鋯添加量變動，對燒結(jié)合金長條制品燒結(jié)變形較小。

3.3 各種成分配比的涂料對WC-20%Co合金壓坯燒結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果在表5和圖4中。

圖2 氧化鋁、氧化鋯添加量對WC-9%Co合金硬度的影響

圖3 氧化鋁、氧化鋯添加量對WC-9%Co合金相對磁飽和值的影響

表5 不同涂料燒結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(WC-20%Co合金)

圖4 不同氧化物添加量對及WC-20%Co合金相對磁飽和值的影響

根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

(1)不添加氧化物的涂料，燒結(jié)時(shí)高鈷合金與石墨舟板會發(fā)生粘結(jié)問題。

(2)當(dāng)涂料氧化鋁或者氧化鋯含量高于20%(有機(jī)溶劑和水不計(jì)入內(nèi))時(shí)，就能保證合金制品與舟板不發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。氧化鋯與氧化鋁相比較，前者對穩(wěn)定合金性能更有利些。之所以有這樣的結(jié)果，是由于在高溫氧化鋁比氧化鋯更易于和合金中碳起脫碳反應(yīng)，從而造成合金磁飽和值下降。

4 結(jié)論

(1)選用高純石墨粉、碳黑、有機(jī)溶劑和水以及氧化鋁氧化鋯等配制而成的燒結(jié)涂料，不僅可以滿足各種含鈷量的硬質(zhì)合金燒結(jié)時(shí)的防粘要求，而且可以連續(xù)多次使用。

(2)不含氧化物的成份的涂料可以順利地用于鈷含量≤9%的WC-Co硬質(zhì)合金；而含有氧化鋁或氧化鋯成份的復(fù)合配方涂料同時(shí)可以有效地用于鈷含量高達(dá)20%的WC-Co硬質(zhì)合金。

(3)燒結(jié)涂料成份中氧化鋁加量增加，會使燒結(jié)鈷含量≤9%的WC-Co硬質(zhì)合金長條制品燒結(jié)變形增加。含氧化鋁或氧化鋯的涂料在鈷含量20%的WC-Co硬質(zhì)合金產(chǎn)品燒結(jié)過程中可有效阻止粘舟。