相同硬度的高钴和低钴含量硬质合金性能比较

邓四文

(成都电焊机研究所, 成都 610051)

硬质合金是由高熔点的金属化合物和金属黏结剂经粉末冶金方法制成的，具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性好、热稳定性好等特点，并且还具有一定的韧性。硬质合金被广泛应用于切削工具、采矿设备以及金属密封等领域[1]。通常要求硬质合金具有承载能力好、耐磨性好、抗冲击能力强等特点[2]。低钴粗颗粒和高钴细颗粒硬质合金具有高耐磨性与强韧性[3]。孔德方等[4]在原料粉末粒度为0.8 μm，钴的质量分数为10%的碳化钨(WC)细晶硬质合金中加入不同量的4 μm～11 μm粒度的WC粉末，考察细晶硬质合金中粗晶粒的含量和粗晶尺寸对细晶硬质合金性能的影响，发现细晶硬质合金中粗晶WC粒度小于10 μm，粗晶体积分数小于0.29%，合金的综合性能可达到未含粗晶WC合金的性能。郭圣达等[5]对不同钴含量的粗晶硬质合金生产过程的各个环节进行了研究，发现钴含量越低，合金硬度越高；孔隙率越小，晶粒分布越均匀，合金强度和硬度越高。闫明远[6]等在细颗粒WC中逐渐增加粗颗粒WC含量，以找到粗细颗粒搭配量对合金性能的影响，发现对于钴的质量分数为7%的WC硬质合金，当粗颗粒WC质量分数为50%时，合金的综合力学性能最佳。在实际使用中，主要要求合金具有高的抗折断能力和高的耐磨性。

笔者制作了两种硬度相同的低钴粗颗粒硬质合金和高钴细颗粒硬质合金，比较相同硬度下低钴粗颗粒硬质合金和高钴细颗粒硬质合金的性能，并评估其耐磨性和抗折断能力，采用金相检验、力学性能试验等方法对这两种硬质合金的选用原则进行了分析。

1 材料的配制

制作了含钴的质量分数分别为8%和18%的WC硬质合金，分别命名为YG8T和YG18T，硬度为(1 300±50) HV。

YG8T中WC粉(WC-1)的费氏粒度为2.8 μm，YG18T中WC粉(WC-2)的费氏粒度为1.6 μm；两者采用的钴粉费氏粒度均为1.11 μm。由于YG18T的粉料太细，需增加晶粒长大抑制剂碳化钽(TaC)，其费氏粒度为1.45 μm。粉料的化学成分如表1所示[7-9]。

表1 粉料的化学成分 %

采用小罐球磨筒进行配料，以钴为黏结剂、石腊为成形剂，为了使YG8T和YG18T的硬度相同，需将碳元素的质量分数控制为6.11%和6.08%，所以YG18T的配料中需加质量分数为0.4%的钨粉。每罐加0.27 L酒精，0.025 kg石腊，0.17 g油酸(0.2 mL)，料球比为1…1，装填系数为0.5，球磨时间为48 h，YG8T和YG18T的混合配料成分如表2所示。

表2 YG8T和YG18T的混合配料成分 %

混合料经过滤、烘干、擦筛、制粒等工序形成可压制料，在DORST型双向压机上按制好的模具压制试样，压力为150 MPa～200 MPa，制备10个横向断裂强度试样用于检测横向断裂强度(抗弯强度)，10个冲击韧性试样用于检测冲击韧性，4个方形试块用于金相检验以及硬度、密度、粒度等测试，6个磨损试样用于检测材料的耐磨性。将压制好的料各配在两炉中烧结，不同晶粒度的硬质合金不放在同一炉中。配炉采用低压烧结，烧结温度分别为1 480 ℃和1 410 ℃，加压压力为5 MPa。

2 试验方法

将烧结出来的试样在DY618S型平面磨床和120#金刚石砂轮上进行粗磨，再用消磁器进行消磁。将方形试块用酒精进行清洗、吹干后，采用BSA-224S-DS1型密度仪。按照GB/T 3850—2015《致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法》的规定测试试样的密度；采用YSK-IV型矫顽磁力计，按照GB/T 3848—2017 《硬质合金 矫顽(磁)力测定方法》测试试样的矫顽力；采用MCoMT-Ⅱ型钴磁测量仪，按照GB/T 23369—2009 《硬质合金磁饱和(MS)测定的标准试验方法》 测量试样中钴的含量。

将方形试样用DK7735型线切割机切成尺寸(长×宽×高)为20 mm×20 mm×15 mm的小方块，在CAST N Vac1000型真空镶嵌机上采用环氧树脂对试样进行镶嵌；用EcoMet300/AutoMet300型金相抛磨机进行粗磨、精磨、研磨和抛光；用消磁器进行消磁；将试样浸泡在乙醇中，在SK8200HP型超声波清洗器中进行清洗。经吹干后，按照GB/T 3489—2015 《硬质合金 孔隙度和非化合碳的金相测定》的要求用OLYMPUS BX51RF型光学显微镜进行孔隙度和非化合碳的测定。采用体积分数均为20%的铁氰化钾和氢氧化钾水溶液的混合溶液作为腐蚀剂，对试样抛光面按时间长度进行轻度、中度和重度腐蚀，并分别清洗吹干后，按照GB/T 3488.1—2014 《硬质合金 显微组织的金相测定 第1部分：金相照片和描述》的规定用OLYMPUS BX51RF型光学显微镜进行η相、γ相、α相的测定；采用Quanta 650型扫描电镜(SEM)对试样进行分析，按照GB/T 3488.2—2018 《硬质合金 显微组织的金相测定 第2部分：WC晶粒尺寸的测量》的规定测量合金中WC组织的晶粒度。

将方块试样的未腐蚀部位放置在Rockwell 574型洛氏硬度计上，按照GB/T 3849—1983 《硬质合金洛氏硬度(A标尺)试验方法》测量试样的洛氏硬度，再在 THVS-30型数显维氏硬度计上，按照JB/T 12616—2016 《硬质合金刀具基体材料断裂韧性检测方法》的规定测试断裂韧性。

横向断裂强度试样精磨后的尺寸(长×宽×高)为(20±1)mm×(6.5±0.25)mm×(5.25±0.25)mm，表面粗糙度Ra≤0.4 μm，为B型试样，在跨度为(14.5±0.5) mm的WDW-100KN型硬质合金抗弯强度专用试验机上，按照GB/T 3851—1983《硬质合金横向断裂强度测定方法》的规定测试试样的横向断裂强度。

冲击试样精磨后的尺寸(长×宽×高)为(50±1)mm×(5.0±0.3) mm×(5.0±0.3) mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm，砧座跨距为30 mm，在ZBC8501-C(15，25 J)型悬臂梁冲击试验机上，按照GB/T 1817—1995 《硬质合金常温冲击韧性试验方法》测量试样的冲击韧性。

按照ISO 28080：2021—2021 《硬质合金 硬质合金的磨损试验》的要求进行试样的磨损试验。磨损试样的尺寸(长×宽×高)为50 mm×25 mm×8 mm，对试样进行粗磨后，采用标乐牌金相抛磨机进行精磨，试样表面平面度不大于125 μm，试样表面粗糙度Ra≤0.8 μm，将磨损试样嵌入干砂橡胶轮式磨损试验机的夹具中，施加于试样的法向载荷为(130±4) N；磨料采用砂粒磨圆度好、无棱角，且SiO2的质量分数大于98%的铸造用硅砂，粒径为40～70目，落砂流速为(126±5) g/min，用超声波清洗后称取质量，并计算前后质量差，即为该试样的磨损值。

3 试验结果与分析

YG8T和 YG18T两种合金的力学性能如表3所示，由表3可知：为了保证低钴YG8T与高钴YG18T两种合金具有相同的硬度，其WC颗粒的晶粒度必然有差异，分别为中颗粒和亚微细颗粒；YG8T的冲击韧性达到了8.96 J/cm2,这比常规的YG8合金高50%。两种合金的微观形貌分别如图1，2所示。两种合金的A类孔隙级别为A02，无B类孔隙，合金的致密度高，这是由于采用了低压烧结，YG8T合金的密度达到理论密度的99.75%，YG18T的密度达到理论密度的99.87%。这两种合金的矫顽力也有差别，但相差不是很大，这与保证具有相同的硬度有关，并且由于YG8T合金的晶粒度大些，钴元素含量低些，所以磁力相应小些。

表3 两种合金的力学性能

图1 YG8T合金的微观形貌

图2 YG18T合金的微观形貌

钨钴类硬质合金的横向断裂强度和冲击韧性与合金的晶粒度及孔隙率正相关，WC的晶粒越细，WC晶粒与Co元素的接触面越大，Co元素的平均自由程越小，合金的孔隙率降低，合金的横向断裂强度和冲击韧性增大。这两种材料性能差别最大的是横向断裂强度和冲击韧性。由于在检测材料的横向断裂强度和冲击韧性时，都需要将试样压断和打断，因此中颗粒的YG8T合金中WC晶粒较粗，试样断裂表现为WC的穿晶断裂。由于亚细颗粒的YG18T合金中WC晶粒较细，试样条的断裂表现为沿晶断裂，所以亚细颗粒的YG18T具有比中颗粒的YG8T更高的横向断裂强度和冲击韧性[10]，YG8T合金的穿晶断裂和YG18T合金的沿晶断裂微观形貌如图3，4所示。

图3 YG8T合金的穿晶断裂微观形貌

图4 YG18T合金的沿晶断裂微观形貌

从横向断裂强度和冲击韧性这两项指标看，YG8T的横向断裂强度比YG18T的横向断裂强度低51%，而YG8T的冲击韧性比YG18T的冲击韧性低63%，YG8T合金比YG18T合金更容易断裂。在使用矿用合金时，并不要求将合金进行强力冲断，而是要考察合金的抗折断能力，所以矿用合金的抗断裂能力并不是根据这两项指标进行判断的，而主要是根据合金的断裂韧性确定合金的抗断裂能力。这两种合金的断裂韧性相差不到3%，其断裂韧性检测结果如表4所示，由表4可知：这两种合金的抗断裂能力是同一等级的。这是由于中颗粒YG8T的WC晶粒比YG18T的WC晶粒粗，当被尖锐金刚石压头压裂后，出现裂纹的偏转和分叉现象，从而使断裂面表面积增大，断裂韧性也增大[11]。高硬度的YG18T合金也具有较高的断裂韧性，主要原因在于TaC的固溶强化作用,TaC颗粒在Co黏结相中扩散和溶解，对Co黏结相起到了强化作用，当尖锐金刚石压头使其产生初始裂纹后，裂纹将会发生偏转而消耗更多的能量，从而提高了断裂韧性。并且TaC本身具有较高的韧性，也能对合金起到增韧作用，所以虽然YG18T合金与高钴类合金相比有更高的硬度，但其断裂韧性却并没有降低。

表4 两种合金的断裂韧性检测结果

两种合金的磨损试验结果如表5所示，由表5可知，两种合金的耐磨性相差1.6%，属于同一等级，YG8T的耐磨性比YG18T稍高，这是因为YG8T的硬度比YG18T稍高，对于硬质合金，可以用硬度衡量其耐磨性，两者具有一定的线性对应关系。从磨损机理上看，中颗粒的YG8T主要表现为WC颗粒的塑性变形导致材料的去除；而亚细颗粒的YG18T主要表现为钴相的去除导致WC的脱落[12]。总之，相同硬度的低钴粗颗粒合金与高钴细颗粒合金具有几乎相同的耐磨性，如果优先需要考虑耐磨性，就优先选用低钴粗颗粒合金，且从合金烧结的性能稳定性看，低钴粗颗粒合金比高钴细颗粒合金性能稳定。如果优先需要考虑抗折断能力，就优先选用高钴细颗粒合金，高钴细颗粒具有稍好的抗折断能力。

表5 两种合金的磨损试验结果

4 结论

(1) 相同硬度的低钴粗颗粒与高钴细颗粒的硬质合金相比，低钴粗颗粒合金具有更好的合金烧结性能稳定性；为了保证晶粒不长大，高钴细颗粒合金在烧结时需加入抑制剂。

(2) 相同硬度的低钴粗颗粒与高钴细颗粒硬质合金相比，低钴粗颗粒合金具有更低的钴含量和钴磁、更高的密度和更大的晶粒度；两种合金具有相同孔隙率和几乎相同的矫顽力，且非化合碳含量和η相含量均为0。

(3) 相同硬度的低钴粗颗粒与高钴细颗粒硬质合金相比，低钴粗颗粒合金具有更低的抗弯强度和冲击韧性；两者的断裂韧性和耐磨性几乎相同，但低钴粗颗粒合金的耐磨性稍高，高钴细颗粒合金的抗折断能力稍高。

(4) 如果需要优先考虑耐磨性，可优先选用低钴粗颗粒硬质合金；如果需要优先考虑抗折断能力，可优先选用高钴细颗粒硬质合金，高钴细颗粒硬质合金具有稍好的抗折断能力。