鈷含量對粗晶硬質合金磨損性能的影響

礦用硬質合金工作時要承受衝擊載荷、磨粒磨損、熱疲勞等複雜苛刻的工況條件，從而使WC-Co硬質合金磨損與失效機理變得十分複雜[1]。關於硬質合金的耐磨性研究較多，鈷含量、WC晶粒度等硬質合金的組織結構參數和硬度與硬質合金耐磨性的關係被廣泛研究[2?9]。研究結果顯示：鈷質量分數小於20%的硬質合金，其WC的粒度越細硬質合金越耐磨[2?4]；WC相的含量增加，硬質合金耐磨性增強[7?9]。迄今，硬質合金耐磨性的研究多集中於亞微米至中粒度硬質合金，關於粗晶及超粗晶硬質合金耐磨性的研究較少,且一般採用濕砂橡膠輪法(ASTM G65)[7]、鋼輪磨損法[3]、銷盤法[9]等試驗方法研究硬質合金的磨粒磨損行為，此類方法在試驗時缺少衝擊載荷的作用，而礦用硬質合金使用時一般都需要承受相當大的衝擊力。

近年來，礦用硬質合金採用粗晶甚至超粗晶WC-Co硬質合金成為重要發展趨勢之一[10?11]。本研究利用衝擊磨粒磨損試驗和微觀結構分析等手段，研究WC晶粒度約為5 μm、鈷含量在6%~14%(質量分數)的粗晶硬質合金在衝擊載荷作用下的磨粒磨損與失效行為，以揭示粗晶硬質合金在衝擊載荷作用下的磨粒磨損機制，研究鈷含量對粗晶硬質合金衝擊磨粒磨損性能的影響，以期為新型礦用硬質合金的生產與應用提供實驗依據。

1 實驗

1.1 實驗材料及力學性能

採用費氏粒度20 μm的WC粉末和Co粉末經過濕磨、壓制、液相燒結等工藝製備鈷含量分別為6%、8%、10%、12%和14%(質量分數)的粗晶硬質合金試樣。硬質合金試樣的尺寸為10 mm×10 mm×50 mm。試樣的力學性能如表1所列。採用場發射掃描電子顯微鏡(JSM-7001F)觀察硬質合金的微觀形貌。圖1所示為YG14硬質合金的微觀形貌。在不同視場的SEM照片上，採用截線法測量WC硬質相的平均晶粒度。為保證測量的精度，每個樣品至少測試200個WC顆粒。

表1 硬質合金試樣的力學性能

Table 1 Mechanical properties of hardmetals

圖1 YG14粗晶硬質合金的形貌

Fig.1 SEM image of YG14 coarse grain cemented carbides

採用VTD552維氏硬度計測量硬質合金的維氏硬度，每個樣品測量3個測試點並求其平均值。

1.2 試驗條件及方法

衝擊磨粒磨損試驗在MLD-10動載磨粒磨損試驗機上進行，試驗參數為：沖錘質量10 kg，下主軸轉速200 r/min，衝擊頻率100 r/min。實驗中，上試樣隨重鎚上下往複運動，下試樣轉動，下試樣的直徑為50 mm，實驗中衝擊功為2.5 J，衝擊用磨料為20~40目的SiC，磨料的體視形貌如圖2所示。為了便於對衝擊表面形貌進行觀察並排除表面粗糙度對初始階段磨損速率的影響，硬質合金試樣的衝擊面經2.5 μm的金剛石研磨膏拋光。衝擊磨損試驗前試樣在超聲波清洗儀中用丙酮清洗，經真空乾燥箱120 ℃真空乾燥 30 min後稱重，而後裝在衝擊磨損試驗機上。在2.5 J的衝擊功和相同的磨料流速下，對試樣進行連續的衝擊磨損，每次實驗後在超聲波清洗儀中用丙酮清洗試樣，真空乾燥後在精確度為0.1 mg的分析天平上稱重，計算磨損重量。根據磨損重量和密度計算硬質合金的磨損體積。每間隔30 min稱一次質量損失，每個樣品的衝擊磨損總時間為3 h。磨損後用JSM-7001F型場發射掃描電鏡觀察衝擊磨損後的表面形貌並對磨損機理進行分析。

圖2 SiC磨料體視形貌圖

Fig.2 Surface morphology of SiC grinding material

2 結果及分析

2.1 硬質合金的衝擊磨粒磨損性能

材料的磨損體積與相對滑動距離之間的關係規律被廣泛的研究[12?13]。為了比較不同材料的耐磨性能，一般採用Landcaster公式，其關係式為：

V=KSF (1)

其中：V為磨損體積(mm3)，K為磨損係數(mm3/(N?m)，S為滑動距離(m)，F為正向壓力(N)。

圖3所示為硬質合金磨損體積與滑動距離的關係，圖中的數據點為實際測量的數據，直線由採用最小二乘法對數據擬合獲得。從圖中可以看出硬質合金的磨損體積隨滑動距離增加呈線性增加，體積磨損規律符合Archard公式，這表明磨損進行過程中粗晶硬質合金的衝擊磨粒磨損機制沒有發生變化。表2所列為硬質合金樣品的磨損係數K，其為通過將圖3中直線的斜率除以載荷(98 N)獲得。圖4所示為磨損係數K與鈷粘結相含量之間的關係，鈷含量在6%~14%的範圍內，硬質合金的磨損係數K隨鈷含量增加而增大。對於WC晶粒度在5 μm左右的粗晶硬質合金，隨鈷含量增加合金耐衝擊磨粒磨損性能變差。

2.2 合金的衝擊磨損表面形貌

硬質合金磨料磨損的表面，一般存在以下磨損機制：塑性犁溝的形成，粘結相的擠出與移除，WC顆粒的變形、斷裂與破碎，硬質合金裂紋的形成以及破碎[14?15]。圖5所示為YG10和YG14硬質合金試樣衝擊磨粒磨損表面的SEM照片，由圖可看出，鈷粘結相被磨損掉，形成溝槽；粗晶WC浮突在硬質合金表面，有的WC顆粒邊角發生破碎，也存在WC顆粒的整體破裂，一些破碎的細小WC碎片粘附在硬質合金的表面；沒有發現WC顆粒整體脫落現象，說明在試驗的條件下WC顆粒難以脫離Co粘結相的牢固把持。衝擊磨料磨損試驗造成的硬質合金磨損過程是Co粘結相先被稜角尖銳的SiC堅硬顆粒磨損移除，而後由WC顆粒形成的骨架抵抗SiC顆粒的衝擊磨損。

圖3 硬質合金磨損體積與滑動距離的關係圖

Fig.3 Wearing volume versus sliding distance

圖4 磨損係數K與粘結相鈷含量之間的關係

Fig.4 Wear coefficient K versus cobalt content

表2 硬質合金的磨損係數K

Table 2 Wear coefficient K of hardmetals

圖5 YG10和YG14硬質合金試樣衝擊磨損表面SEM照片

Fig.5 Impact wearing surface SEM images of YG10 and YG14 (a)—YG10; (b)—YG14

3 分析討論

礦用硬質合金的鈷質量分數一般在6%~14%，本試驗研究鈷含量在此範圍的變化對WC晶粒度約為 5 μm的礦用硬質合金衝擊磨粒磨損性能的影響。當WC顆粒的晶粒度尺寸基本不變時，隨鈷粘結相增加，硬質合金的硬度線性降低(如圖6所示)。圖7顯示磨損係數K與硬度HV10之間呈反比關係, 材料的硬度越高，耐磨性越好。通常硬度是硬質合金材料的重要力學性能，被用來表徵材料抵抗塑性變形的能力，也常被用來作為指示材料耐磨性的指標。

圖6 硬質合金硬度與鈷含量間的關係圖

Fig.6 Hardness HV10versus cobalt content

圖7 磨損係數K與硬度HV10之間的關係

Fig.7 Wear coefficient K versus hardness HV10

對於硬質合金，若各相的磨損速率相等且各相自身的耐磨性恆定，則隨粘結相增多，硬質合金的磨損係數K線性降低[6]。若各相的磨損速率不相等，則磨損係數K與粘結相含量間的關係應為曲線。通過衝擊磨損表面形貌可以看出，鈷的磨損速率遠高於WC顆粒，即WC硬質相與Co粘結相的磨損速率不同，磨損係數K與粘結相含量間的關係應為曲線。本實驗的結果卻表明了粗晶硬質合金的耐磨性與鈷粘結相的含量呈線性關係。產生這種現象的原因可能是：本實驗採用的是SiC磨粒，其室溫硬度HV0.5為2 500[16]，該硬度遠高於Co粘結相的硬度但低於WC硬質相的硬度；衝擊磨粒磨損時，接觸表面粗晶WC之間的大尺寸Co粘結相易於被稜角尖銳的SiC堅硬顆粒磨損移除，導致鈷相的磨損速率遠高於硬質相的磨損速率；但Co粘結相被磨損後，硬質合金的耐磨性主要由浮突出表面的WC顆粒骨架承擔；亞表面Co粘結相的主要作用是牢固把持粗WC顆粒形成的骨架，不使產生WC顆粒的早期剝落，而主要以粗WC顆粒的破裂脫落而失效；因此表現為硬質合金的磨損係數K與WC硬質相的體積含量呈正比。提高粗晶WC顆粒的抗衝擊破碎性可能是提高粗晶硬質合金耐衝擊磨粒磨損性能的有效途徑之一。

4 結論

1) 對於WC晶粒度5 μm左右的粗晶硬質合金，鈷含量從6%增加到14%，硬質合金的磨損係數K從1.05×10?6mm3/(N?m)線性增加到6.09×10?6mm3/ (N?m)，硬質合金的耐衝擊磨粒磨損性能線性變差。

2) 粗晶硬質合金的耐衝擊磨料磨損機制是：接觸表面粗晶WC間的鈷粘結相，先期被稜角尖銳的SiC磨料磨損移除；然後硬質合金的耐磨性主要由表面的WC顆粒骨架承擔；亞表面Co粘結相主要起牢固地把持WC顆粒骨架、不讓產生WC顆粒的早期剝落，代之主要以粗WC顆粒破裂脫落而失效的作用；因而硬質合金的磨損係數K與WC硬質相的體積含量呈 正比。

曹瑞軍，林晨光，馬旭東，謝興鋮，林中坤

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