不同形貌碳化钨对合金磨损性能的影响

顾金宝，廖 军，菅豫梅，王 可，邱 勇，刁椿珉

(自贡硬质合金有限责任公司，四川 自贡 643011)

1 引言

WC-Co硬质合金具有优良的机械性能，尤其是其较高硬度和良好韧性的结合，使得其广泛应用于地质工程中的矿山开采、油气钻探、隧道掘进等工程领域。硬质合金在凿岩领域中主要以硬质合金齿的形式出现，合金齿通过镶嵌在钢结构的钎头体上制作成钻头(或钎头)，形成各式各样的凿岩工具，这些凿岩工具的服役条件一般比较恶劣，常常需要承受循环载荷、冷热交替的温度变化以及腐蚀性的工作环境。疲劳失效是造成凿岩工具失效的一种主要形式，疲劳种类一般有机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳，在硬质合金实际使用中，几种疲劳方式共同作用，相互促进[1]。目前关于实验室合金性能检测的报道大部分是关于静载荷的，主要包括强度、硬度、断裂韧性等，也有文章报到过动载荷状态下合金的冲击疲劳研究[2-4]。关于实验室模拟冲击回转式凿岩工具的工况，对合金施加一定动载荷的冲击，同时可以设定转速进行磨损的实验研究的报道较少。硬质合金中碳化钨为其主要成分，合金的耐磨性依赖于硬质相，碳化钨粉末的常规分析能确定其纯度和粒度；但由于不同厂家提供的碳化钨，在化学成分和粒度十分相近的情况下仍然表现出力学性能及其他性能的差异[5]。以下就市售的三家相同规格的碳化钨，费氏粒度20-25 μm，在相同工艺参数下制作成相同成分、合金平均晶粒度4-5 μm的材质，研究三个厂家的碳化钨制成的合金在相同动载荷冲击回旋式磨损实验条件下磨损情况的差异性。

2 实验方法

2.1 试样制备

采用A、B、C三个厂家生产的费氏粒度相近的WC作为原料，具体性能参数见表1。采用相同球磨工艺：球磨时间14 h、球料比2:1、己烷加量350 ml/kg、研磨体直径φ10 mm合金棒，及费氏粒度2 μm钴粉，均配料成含钴量6%合金原料。对三组原料利用50 t双向DORST压力机，压制成统一规格的样块，在1450 ℃烧结温度下完成合金化，制成冲击磨损的合金试样，其尺寸为φ29 mm×43 mm(见图1)。

*总碳、游离碳、W2C、氧含量均是质量分数。

2.2 检测设备、方法

利用ZEISS公司生产的EVO-18型扫描电子显微镜观察WC微观形貌；采用排水法测定合金试样密度；试样金相及孔隙度采用德国徕卡公司生产的DMI5000M型金相显微镜观察；采用截线法测定试样的平均晶粒度；试样硬度采用HR-150A型洛氏硬度计测量；试样的磁力采用德国KOERZEMAT1.096型矫顽磁力仪检测；试样钴磁性能采用法国塞塔拉姆公司生产的D6025型钴磁仪测定；试样冲击磨损实验在长春机械科学研究院有限公司生产的动载荷冲击磨损试验机上进行，冲击磨削的对象是花岗岩，见图1。

3 实验结果与讨论

3.1 三家WC微观形貌检测观察

从图2可以看出：低倍下，A、C厂家的WC料均匀性较好，B厂家的WC粗细不均，存在较多的粗大颗粒；高倍下，C厂家料表面较为光滑，颗粒发育完整，A、B厂家的WC有较多的聚集颗粒，B厂家产品更明显。A、B、C三个厂家的碳化钨呈现不同形貌特点，这可能与各厂家的碳化钨生产工艺参数不同有关[6-7]。

3.2 合金试样性能检测

分别采用三个厂家生产的WC制备成含钴量6%的合金，其试样性能指标见表2所示。磁力、钴磁均有细微差异，平均晶粒度均达到4-5 μm ，粒径离差系数0.73-0.74，三组实验晶粒均匀性比较接近。从图3中的金相照片可以发现，金相组织非常相近。

3.3 冲击磨损实验检测与分析

所有试样都制备成统一规格钻头标样块，考虑到样品的单重、尺寸有差异，本次实验采用在同一冲击磨损条件下，用重量损失比来评估样品的抗冲击磨损能力。冲击磨损机参数设置两种方案，具体参数见表3。 本次冲击磨损实验是在两种不同的设置条件下进行的，由图4可以明显看出，在测试1(磨损转速300 r/min)状态下，A、B、C合金表现出的抗冲击磨损效果非常接近；在测试2(磨损转速80 r/min)状态下，A、B、C三组合金冲击磨损效果拉开了差距。合金B磨损重量损失最小，合金C、A次之。这三组合金在高速和低速的磨削呈现出明显的差异性。高转速下冲击磨削差异不大，主要原因可能是三组合金试验的晶粒度粗化导致较好的导热性，在高转速磨削状态下，合金磨损以抗热疲劳性能为主，抗冲击疲劳为辅；低转速磨削状态下，试样B在低转速磨削状态下表现比较突出，相对磨损质量损失百分比最小，主要原因可能是在低转速磨削试验条件下，合金磨损以冲击磨损为主，热疲劳磨损为辅。结合试样B所使用的碳化钨及合金性能发现：一是合金B所用碳化钨原料相对A、C合金所用碳化钨，粒度粗细不均明显，且W2C含量较高，表明碳化钨B发育相对不完全，合金制备工艺中碳化钨B在球磨环节团粒易于被打散和破碎，制成合金后，合金B的平均晶粒度较A、C合金偏细，硬度均略高于A、C试样，低转速磨损，合金B的耐磨性能得到体现。

4 结论

(1)在相同的工艺条件下，用不同厂家WC原料制备的合金样块，在冲击频率和载荷一定的情况下，不同转速条件下合金的抗冲击磨损情况不一样。低转速状态下，碳化钨B制备的合金试样B显示出明显优势；在高转速状态下，碳化钨C制备的合金试样C略有优势。

(2)在一定条件下，通过冲击磨损试验可观察出不同厂家碳化钨制成的合金的耐冲击性及抗磨损综合性能的差异。

(3)以上的实验结果仅是不同转速条件下得到的，后续需要进一步地研究冲击磨损实验机参数设置(转速、冲击频率、冲击负荷，冲击时间)与碳化钨及合金冲击磨损失效之间的关系。

参考文献：

[1] 陈振华，姜勇. 硬质合金的疲劳与断裂[J]. 中国有色金属学报，2011(10)：2394-2401.

[2] 欧朝霞. 钴含量及晶粒度对硬质合金冲击疲劳性能的影响[J]. 硬质合金，2008(1)：37-41.

[3] 张超，左剑波. 以冲击功测定硬质合金韧性[J]. 西安石油大学学报(自然科学版)，1990(3)：33-37.

[4] 陈鼎，胡山，陈振华，等. 低周冲击加载评价硬质合金韧性的研究[J]. 湖南大学学报(自然版)，2014(2)：102-107.

[5] 李健纯，吴楚英. 几种碳化钨的微观结构的比较[J]. 稀有金属，1985(6)：81-83.

[6] 李健纯，吴惕言. 碳化钨粉末的微观结构与工艺员参数的关系[J]. 中南大学学报(自然科学版)，1986(4)：58-65，119-120.

[7] 孙五四，伏坤，李行，等. 超粗晶WC粉的制备工艺研究[J].稀有金属与硬质合金，2016(2)：13-17.