汪中瑋

（株洲新科硬質(zhì)合金有限公司，湖南 株洲 412000）

0 前言

在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中，由于鈷對硬質(zhì)相（WC）具有優(yōu)良的潤濕性和良好的粘結(jié)性，并使合金表現(xiàn)出極高的紅硬性、耐磨性和良好的強(qiáng)度、韌性等高綜合性能而一直成為硬質(zhì)合金的最重要粘結(jié)劑。但隨著硬質(zhì)合金材料的使用范圍不斷擴(kuò)大，在那些要求抗腐蝕、耐磨損等條件下，以鈷作粘結(jié)相的硬質(zhì)合金難以滿足這類產(chǎn)品的工況要求。眾多分析表明：WC-Co類硬質(zhì)合金產(chǎn)品長期在有腐蝕的工況下工作時(shí)，鈷相在化學(xué)腐蝕的環(huán)境中將優(yōu)先溶解，造成WC等硬質(zhì)相被剝落，進(jìn)而使工件間的磨損由粘著磨損轉(zhuǎn)化為黏著磨損和磨粒磨損共存的狀態(tài)，最終導(dǎo)致并加速工具過早失效［1-3］。許多學(xué)者都在圍繞如何提高粘結(jié)相性能進(jìn)行研究并取得了重大的成果，用鎳代鈷作粘結(jié)相的硬質(zhì)合金雖然能研制出較好的鎳基硬質(zhì)合金，由于鎳與硬質(zhì)相（WC）的潤濕性沒有鈷好，且鎳粘結(jié)相硬質(zhì)合金比鈷粘結(jié)相硬質(zhì)合金的生產(chǎn)質(zhì)量控制難度大，合金性能的波動大，這些都是用鎳代替鈷生產(chǎn)硬質(zhì)合金的難點(diǎn)所在［4］。本研究以鎳為主要粘結(jié)相，配以一定比例的微量合金元素（Co+Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.4％），從而改善了粘結(jié)相與硬質(zhì)相（WC）的潤濕性，提高了合金的綜合性能和穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 材料制備

所用原料為細(xì)顆粒WC粉（費(fèi)氏粒度1.27μm）、超細(xì)鎳粉（平均粒度≤1.3μm）和高純細(xì)鉻粉（純度＞99.4％）。原料成分符合試驗(yàn)要求后，將粉末原料按表1成分配比計(jì)量后，以2％石蠟作為成形劑，球料比為3：1，以酒精為研磨介質(zhì)，酒精加量為300～400mL/kg，采用傳統(tǒng)的滾動球磨機(jī)濕磨、干燥、制粒、壓出毛坯后進(jìn)行真空燒結(jié)。燒結(jié)工藝：經(jīng)過低溫脫蠟后升溫至1 470～1 490℃，保溫60min的真空燒結(jié)工藝，然后冷卻。試驗(yàn)時(shí)注意調(diào)整好碳平衡以保證燒結(jié)后合金不存在滲（脫）碳現(xiàn)象，燒結(jié)后用0.105mm金剛石砂輪研磨毛坯的表面，將合金毛坯制備成6.5mm×5.25mm×20mm的標(biāo)準(zhǔn)B試樣。

1.2 分析檢測

采用SANS公司的CMT萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲抗彎強(qiáng)度實(shí)測；采用日本Future-tech公司FV-70數(shù)字顯示維氏硬度機(jī)對合金的維氏硬度進(jìn)行測定；通過掃描電鏡（JMS-1500）合金的微觀形貌進(jìn)行觀察比較?？垢g耐粘著磨損對比性試驗(yàn)是在改制過的MG-200高速（800r/min）摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上模擬進(jìn)行，磨損介質(zhì)為水和腐蝕劑（一定比例的弱H2SO4+HCl鹽溶液，濃度小于10％）。

表1 合金試樣配方 w/％

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 耐腐蝕合金的性能

通過多次合金成分優(yōu)化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合金中Co+Cr添加量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9％～1.4％時(shí)合金性能最佳，其試驗(yàn)結(jié)果及顯微組織結(jié)構(gòu)分別參見表2和圖1。結(jié)合表2和圖1可以看出：與純鎳粘結(jié)相合金相比，在合金中添加了微量的Co或Co+Cr，合金中的B類孔隙得以消除，A類孔隙度明顯降低，合金的強(qiáng)度和硬度都有了較大幅度提高。此外，由圖1—c還可以看出，添加微量Cr后，合金的晶粒度均勻化程度更好，微觀結(jié)構(gòu)中沒有出現(xiàn)圖1—a、b中晶粒不均現(xiàn)象。

表2 試制合金的物理性能

圖1 相同生產(chǎn)工藝下制備合金的金相組織（×1600）

2.2 鈷和鉻對合金性能的影響

圖2是微量鈷和鉻對合金抗彎強(qiáng)度和硬度的影響。由圖2可知：當(dāng)（Co+Cr）含量大于1.2％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，合金的抗彎強(qiáng)度有了顯著提高。這是由于加入了微量鈷和鉻不但降低了合金在真空燒結(jié)過程中的共晶反應(yīng)的溫度，而且還改善了合金在真空燒結(jié)過程中粘結(jié)相對硬質(zhì)相（WC）的潤濕性，減小粘結(jié)相與硬質(zhì)相（WC）間的潤濕角，降低了合金內(nèi)部的微孔隙度，合金的強(qiáng)度有了較大幅度地提高。此外，微量的鉻對合金抗腐蝕性還起到正面的影響［5］。

圖2 微量鈷和鉻對合金抗彎強(qiáng)度和硬度的影響

2.3 燒結(jié)溫度對合金性能的影響

一般情況下，合金粘結(jié)相質(zhì)量百分比相同時(shí)，Ni-WC硬質(zhì)合金的真空燒結(jié)溫度要比Co-WC硬質(zhì)合金的真空燒結(jié)溫度高60～70℃。這是由于在真空燒結(jié)過程中，盡管W-C-Ni系與W-C-Co系一樣會發(fā)生二元和三元穩(wěn)定或介穩(wěn)定的共晶反應(yīng)，但前者反應(yīng)溫度比后者要高50～100℃，且液相的Ni與固相的WC間潤濕角較液相的Co與固相的WC間的潤濕角大，因而采用真空燒結(jié)工藝時(shí)Ni-WC硬質(zhì)合金的孔隙度要比Co-WC硬質(zhì)合金的孔隙度要高得多［6］。不同燒結(jié)溫度的試驗(yàn)結(jié)果列于表3，通過燒結(jié)溫度對比發(fā)現(xiàn)，該合金的真空燒結(jié)最佳溫度在1 470～1 490℃，低于此溫度范圍的真空燒結(jié)將在合金中產(chǎn)生大量的A類和B類孔隙，合金的抗彎強(qiáng)度和硬度都會明顯降低，燒結(jié)溫度升高（達(dá)到1510℃），合金的致密化逐漸達(dá)到該試驗(yàn)條件下的極限，合金的抗彎強(qiáng)度和硬度趨于穩(wěn)定化，隨著燒結(jié)溫度進(jìn)一步提高，其對合金的抗彎強(qiáng)度和硬度不再有任何改善作用，過高的燒結(jié)溫度還將會對合金產(chǎn)生不利的影響。可見在該合金中液相Ni與固相WC間潤濕角仍是決定合金性能的最主要因素。

表3 不同燒結(jié)溫度的試驗(yàn)結(jié)果

2.4 合金的耐腐蝕、磨損試驗(yàn)比較

表4 不同合金的抗腐蝕、耐磨損性能比較

由表4可知：盡管所研制的鎳鈷鉻粘結(jié)相硬質(zhì)合金試樣（B）硬度與純鈷粘結(jié)相硬質(zhì)合金試樣（A）硬度相差不大，但在相同條件下（弱酸介質(zhì)）其耐磨損性能有了較大的區(qū)別，前者的抗腐蝕耐磨損性能約是后者的1.23倍，且從磨損后試樣表面形貌（SEM）可以看出（參見圖3），純鈷粘結(jié)相硬質(zhì)合金試樣磨損后的表面比較粗糙，有較多的溝壑存在，比鎳鈷鉻粘結(jié)相硬質(zhì)合金試樣中的溝壑要更明顯。這是由于在本實(shí)驗(yàn)介質(zhì)（濃度小于10％、一定比例弱H2SO4+HCl鹽溶液）下，純鈷粘結(jié)相硬質(zhì)合金中的鈷相在實(shí)驗(yàn)過程中遭到一定程度的腐蝕致使合金中硬質(zhì)相（WC）裸露或結(jié)合力不夠，在高速摩擦過程中WC硬質(zhì)相被剝落，進(jìn)而在試樣表面造成粗糙的溝壑；而在本實(shí)驗(yàn)過程中鎳鈷鉻粘結(jié)相硬質(zhì)合金抗腐蝕性要好得多，表現(xiàn)為鎳鈷鉻粘結(jié)相硬質(zhì)合金試樣的相對磨損要小得多，在微觀結(jié)構(gòu)上（參見圖3）鎳鈷鉻粘結(jié)相合金試樣的表面溝壑比鈷粘結(jié)相合金試樣要小。

圖3 不同粘結(jié)相硬質(zhì)合金腐蝕、磨損后的表面形貌（SEM）

3 結(jié)論

（1）在純鎳基硬質(zhì)合金中加入少量的鈷和鉻（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9％～1.2％）可以改善主粘結(jié)相鎳與硬質(zhì)相（WC）的潤濕性，顯著降低合金中的微孔隙，有利于合金綜合性能的提升。

（2）合金的真空燒結(jié)溫度為1 470～1 490℃，合金的性能達(dá)到最佳，液相的Ni與固相的WC間的潤濕角仍是決定合金性能的最主要因素。

（3）在濃度小于10％、一定比例弱H2SO4+HCl鹽溶液的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)下，該合金的抗腐蝕、耐磨損性約是純鈷粘結(jié)相硬質(zhì)合金的1.23倍，明顯優(yōu)于用純鈷粘結(jié)相硬質(zhì)合金。

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