WC_Co梯度硬质合金的制备及渗碳对其组织的影响_肖逸锋
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行渗碳处理 , 制备了一种 WC-Co 梯度结构硬质合金 , 对其梯度结构组织进行了表征 , 并对其形成机理 、工 艺因素对梯度层厚度的影响进行了研究 。
1 实验材料及方法
1.1 实验原料及其性能 实验原料 WC 粉 、W 粉和 Co 粉的组成见表 1 。
P owder
WC W Co
表 1 原料粉末的组成 Table 1 Composition of raw powders
结相 , 通 过 粉末 冶金 方 法制 备 的 金属 陶 瓷 工具 材 料[ 1-5] 。硬质合金具有高强度 、高硬度 、高弹性模量 、
耐磨损 、耐腐蚀 、低热膨胀系数以及高化学稳定性等 优点 , 因此 , 其在切削工具 、石油矿山钻具 、冷成型工 具和热轧辊等方面有着广泛的应用[ 1-5] 。由于硬质合 金的耐磨性能和韧性是一对相互矛盾的性能 , 在许多 服役条件下 , 传统的均匀结构硬质合金则表现出明显 的劣势[ 6-8] 。 例如 , 地质矿山用硬质合金钻具类要求 钻齿表面耐磨和整体耐冲击 , 均匀结构硬质合金通常 不能充分满足此种工作条件 , 认为硬质合金中的脆 、
(1 .State Key Laboratory of Powder Metallurgy , Central South University , Changsha 410083 , China ; 2 .School of Mechanical Engineering , Xiangtan University , Xiangtan 411105 , China ; 3 .Zhuzhou Cemented Carbides Group Co Ltd , Zhuzhou 412000 , China)
硬质合 金是一种以难 熔金属化合 物(WC 、TaC 、 TiC 、NbC 等)为基体 , 以过渡族金属(Co , Fe , Ni)为粘
收稿日期 : 2006-10-10 ; 修订日期 : 2007-11-29 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目(50323008) 作者简介 : 肖逸锋(1975 —), 男 , 讲 师, 博士研 究生 , 主 要从事 硬质 合金和 耐 磨 堆 焊 材 料 的 研 究 工 作 , 发 表 论 文 10 余 篇 , E-mail : xiaoyifeng @xtu .edu .cn 。 通讯作者 : 贺跃 辉(1963 —), 男 , 教 授 , 电 话 :0731-8836144 ;E-mail : yuehui @mail .csu .edu .cn 。
WC-Co 梯度硬质合金的制备及渗碳对其组织的影响
肖逸锋1, 2 , 贺跃辉1 , 丰 平1 , 谢 宏1, 3 , 马自省1,3 , 张丽娟1 , 黄自谦1 , 黄伯云1
(1 .中南大学粉末冶金国家重点实验室 , 湖南 长沙 410083 ;2 .湘潭大学机械工程学院 , 湖南 湘潭 411105 ;3 .株洲硬质合金集团有限公司 , 湖南 株洲 412000)
图 2(a)所示为试样 B 经 1430 ℃×60min 渗碳处 理后的组织形貌 , 图 2(b)是图 2(a)沿表面-芯部方向 的各元素 EDS 线扫描分 布图 。 从图 2(a)中 可以看 出 , 渗碳处理后合金的横断面可以分为三个区域 :表 面层 、富钴层和芯部 , 图 2(b)中表面-芯部 的各元素 EDS 线扫描分布图也表明存在上述区域 :碳含量的变 化不明显 ;表层的钨含量稍高 , 富钴层的钨含量相应 降低 , 到芯部区钨含量略增并趋于其名义含量 ;钴含 量的分布更加明显表明存在三个区域 , 其表层的钴含 量明显低于富钴层 , 芯部的钴含量又明显低于富钴区 而又高于表面层的 , 并且基本趋于稳定 , 其含量即为合
DO I :10.13289/j .issn.1009 第 29卷 第1期
-6264.2008.01材.019 料
热
Hale Waihona Puke Baidu
处
理
学
报
20 08 年 2月
TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
Vol .2 9 No .1 February 2 00 8
Total carbon wt %
5.92 0.0013 0.025
Oxygen wt %
0.06 0.079 0.31
Particle size μm
2.13 1.35 1.46
1.2 试验方法 将 WC 粉 、Co 粉和适量纯 W 粉配制成三种低于
化学计量碳含量的 WC-6Co 混合料 , 各自总碳含量的 设计值分别为 5.60wt %、5.40wt %和 5.20wt %(试样编 号分别为 A 、B 、C)。 混合料加入聚 乙二醇和适量酒 精 , 通过湿磨 、喷雾干燥 、制粒后采用单向模压的方 法压制成 Υ10mm ×14mm 的样坯 。 采用脱成形剂和 烧结 一 体 炉 进 行 低 压 烧 结 (sintering-HIP), 温 度 1440 ℃, 时间 60min 。 之后将试样埋入碳黑中 , 在通 有流动氢气的还原炉中渗碳处理 , 每组试样分别在 1400 、1430 和 1465 ℃渗碳处理 40 , 60 , 80 和 100min 。
图 1 不同碳含量的硬质合金经低压烧结的显微组织 (a)试样 A ;(b)试样 B;(c)试样 C Fig.1 Microstructure of cemented carbides with different carbon content prepared by sintering-HIP (a)sample A ;(b)sample B;(c)sample C
Preparation of WC-Co gradient cemented carbides and effects
of carburizing on its microstructure
XIAO Yi-feng1, 2 , HE Yue-hui1 , FENG Ping1 , XIE Hong1, 3 , MA Zi-xing1 ,3 , ZHANG Li-juan1 , HUANG Zi-qian1 , HUANG Bai-yun1
采用光学金相显微镜(Leica Reichert MeF3A)和扫 描电子显微镜(JSM-6360LV)进行微观结构分析 , X 射 线衍射仪(D MAX-3A)进行物相分析 , 能谱仪(EDAX)
进行元素成分分析 。 金相腐蚀采用等体积的 20 %氢 氧化钠溶液和 20 %铁氰化钾溶液的混合液 。
摘 要 :采用光学金相检测 、扫描电镜分析 、能谱分析 等方法对 WC-6Co 硬质 合金渗碳处 理后的成 分和梯度 组织结构进行分析 。 结果表明 :对硬质合金渗碳处理后 可形成显微组织和 钨 、钴 含量的梯度 分布 , 其特征是
合金表层和次表层的 η相已经完全消失 , 属正常的 WC +γ两相组织 , 合金的芯部依然是含 η相的三相 组织 , 中间形成了一个富钴层 ;碳原子的扩散和液相钴的流动 是形成梯度的原因 ;在各 渗碳温度下 , 合金 的梯度结 构厚度均随渗碳时间的增加而增加 ;在渗碳 时间和 渗碳温 度相同 的情况 下 , 合 金的梯 度层厚 度均随 合金初 始总碳含量的增加而增厚 。 渗碳处理后外表面的 WC 晶粒可能会产生一定的粗化现象 。 关键词 :硬质合金 ; 渗碳处理 ; 梯度组织 中图分类号 :TG135.5 ; TG156.81 文献标识码 :A 文章编号 :1009-6264(2008)01-0116-05
Abstract :A WC-Co gradient cemented carbides was prepared by carburizing WC-Co cemented carbides with different carbon content.The microstructure of the alloy was investigated by optical microscopy , SEM and EDS analysis.The results show that microstructure with gradient tungsten content and cobalt content is obtained by carburizing the WC-Co cemented carbides with lower carbon content.The microstructure of the carburized layer with gradient characteristics consists of the surface layer without ηphase and the cobalt-rich sub-surface layer with normal WC + γphases, and tungsten content slightly decreases but cobalt obviously increases from surface layer to core , a cobalt-rich layer forms in the middle layer , whereas ηphase still exists in the core .The formation of gradient microstructure is possibly attributed to the inward carbon diffusion and the inward flow of liquid cobalt during carburization .The results also show that the thickness of gradient structure increases with the increase of carburizing time and the carbon content of the original WC-Co cemented carbides in the same conditions.A certain degree of coarsing of WC grain in the surface layer is observed for carburized cemented carbides. Key words:cemented carbides ;carburizing treatment;gradient structure
第 1期
肖逸锋等 :WC-Co 梯度硬质合金的制备及渗碳对其组织的影响
1 17
韧两相含量呈梯度分布是解决此类问题的主要方法 。 若将此类材料制备成梯度结构 , 在满足使用要求的前 提下 , 有利于降低热应力 、抑制应力集中 、提高冲击韧 性和断裂韧性[ 1 , 3-7] 。
本文对硬质合金在流动氢气中不加渗碳助剂进
2 结果与讨论
2.1 烧结态的组织 A 、B 和 C 三种缺碳 WC-Co 硬质合金经 1440 ℃×
60min 低压烧结后的显微组织如图 1 所示 。 由图 1 可 知 , 硬质合金中形成了 η相 , 且随着碳含量的降低 , η 相含量逐渐增加 、分散的均匀性变差 , 并趋向于成大 块状 。此外 , 合金中的 WC 大多呈多角特征 。 上述现 象主要原因在于 , 硬质合金在烧结过程中发生反应 , 生成 η相 , 消耗了部分 Co , 液相含量大大 减少 , 不利 于液相烧结三个阶段的进行 , 即液相含量减少 , 液相 难以流动 , WC 颗粒的滑动 、旋转和一次重排进行困 难 , 生成的 η相就会在局部位置被“钉扎” , 组织均匀性 就会变差 , 且随着碳含量的降低更加严重 ;同时 , 液相 含量的减少 , 溶解 -析出难以完全进行 , 大颗粒的棱 角 、微凸及微细的颗粒没有足够的液相来溶解 , 颗粒形 状会被保留下来 , 使得 WC 呈现多角特征 。 2.2 渗碳处理后的组织 2.2.1 渗碳处理后的组织
1 实验材料及方法
1.1 实验原料及其性能 实验原料 WC 粉 、W 粉和 Co 粉的组成见表 1 。
P owder
WC W Co
表 1 原料粉末的组成 Table 1 Composition of raw powders
结相 , 通 过 粉末 冶金 方 法制 备 的 金属 陶 瓷 工具 材 料[ 1-5] 。硬质合金具有高强度 、高硬度 、高弹性模量 、
耐磨损 、耐腐蚀 、低热膨胀系数以及高化学稳定性等 优点 , 因此 , 其在切削工具 、石油矿山钻具 、冷成型工 具和热轧辊等方面有着广泛的应用[ 1-5] 。由于硬质合 金的耐磨性能和韧性是一对相互矛盾的性能 , 在许多 服役条件下 , 传统的均匀结构硬质合金则表现出明显 的劣势[ 6-8] 。 例如 , 地质矿山用硬质合金钻具类要求 钻齿表面耐磨和整体耐冲击 , 均匀结构硬质合金通常 不能充分满足此种工作条件 , 认为硬质合金中的脆 、
(1 .State Key Laboratory of Powder Metallurgy , Central South University , Changsha 410083 , China ; 2 .School of Mechanical Engineering , Xiangtan University , Xiangtan 411105 , China ; 3 .Zhuzhou Cemented Carbides Group Co Ltd , Zhuzhou 412000 , China)
硬质合 金是一种以难 熔金属化合 物(WC 、TaC 、 TiC 、NbC 等)为基体 , 以过渡族金属(Co , Fe , Ni)为粘
收稿日期 : 2006-10-10 ; 修订日期 : 2007-11-29 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目(50323008) 作者简介 : 肖逸锋(1975 —), 男 , 讲 师, 博士研 究生 , 主 要从事 硬质 合金和 耐 磨 堆 焊 材 料 的 研 究 工 作 , 发 表 论 文 10 余 篇 , E-mail : xiaoyifeng @xtu .edu .cn 。 通讯作者 : 贺跃 辉(1963 —), 男 , 教 授 , 电 话 :0731-8836144 ;E-mail : yuehui @mail .csu .edu .cn 。
WC-Co 梯度硬质合金的制备及渗碳对其组织的影响
肖逸锋1, 2 , 贺跃辉1 , 丰 平1 , 谢 宏1, 3 , 马自省1,3 , 张丽娟1 , 黄自谦1 , 黄伯云1
(1 .中南大学粉末冶金国家重点实验室 , 湖南 长沙 410083 ;2 .湘潭大学机械工程学院 , 湖南 湘潭 411105 ;3 .株洲硬质合金集团有限公司 , 湖南 株洲 412000)
图 2(a)所示为试样 B 经 1430 ℃×60min 渗碳处 理后的组织形貌 , 图 2(b)是图 2(a)沿表面-芯部方向 的各元素 EDS 线扫描分 布图 。 从图 2(a)中 可以看 出 , 渗碳处理后合金的横断面可以分为三个区域 :表 面层 、富钴层和芯部 , 图 2(b)中表面-芯部 的各元素 EDS 线扫描分布图也表明存在上述区域 :碳含量的变 化不明显 ;表层的钨含量稍高 , 富钴层的钨含量相应 降低 , 到芯部区钨含量略增并趋于其名义含量 ;钴含 量的分布更加明显表明存在三个区域 , 其表层的钴含 量明显低于富钴层 , 芯部的钴含量又明显低于富钴区 而又高于表面层的 , 并且基本趋于稳定 , 其含量即为合
DO I :10.13289/j .issn.1009 第 29卷 第1期
-6264.2008.01材.019 料
热
Hale Waihona Puke Baidu
处
理
学
报
20 08 年 2月
TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
Vol .2 9 No .1 February 2 00 8
Total carbon wt %
5.92 0.0013 0.025
Oxygen wt %
0.06 0.079 0.31
Particle size μm
2.13 1.35 1.46
1.2 试验方法 将 WC 粉 、Co 粉和适量纯 W 粉配制成三种低于
化学计量碳含量的 WC-6Co 混合料 , 各自总碳含量的 设计值分别为 5.60wt %、5.40wt %和 5.20wt %(试样编 号分别为 A 、B 、C)。 混合料加入聚 乙二醇和适量酒 精 , 通过湿磨 、喷雾干燥 、制粒后采用单向模压的方 法压制成 Υ10mm ×14mm 的样坯 。 采用脱成形剂和 烧结 一 体 炉 进 行 低 压 烧 结 (sintering-HIP), 温 度 1440 ℃, 时间 60min 。 之后将试样埋入碳黑中 , 在通 有流动氢气的还原炉中渗碳处理 , 每组试样分别在 1400 、1430 和 1465 ℃渗碳处理 40 , 60 , 80 和 100min 。
图 1 不同碳含量的硬质合金经低压烧结的显微组织 (a)试样 A ;(b)试样 B;(c)试样 C Fig.1 Microstructure of cemented carbides with different carbon content prepared by sintering-HIP (a)sample A ;(b)sample B;(c)sample C
Preparation of WC-Co gradient cemented carbides and effects
of carburizing on its microstructure
XIAO Yi-feng1, 2 , HE Yue-hui1 , FENG Ping1 , XIE Hong1, 3 , MA Zi-xing1 ,3 , ZHANG Li-juan1 , HUANG Zi-qian1 , HUANG Bai-yun1
采用光学金相显微镜(Leica Reichert MeF3A)和扫 描电子显微镜(JSM-6360LV)进行微观结构分析 , X 射 线衍射仪(D MAX-3A)进行物相分析 , 能谱仪(EDAX)
进行元素成分分析 。 金相腐蚀采用等体积的 20 %氢 氧化钠溶液和 20 %铁氰化钾溶液的混合液 。
摘 要 :采用光学金相检测 、扫描电镜分析 、能谱分析 等方法对 WC-6Co 硬质 合金渗碳处 理后的成 分和梯度 组织结构进行分析 。 结果表明 :对硬质合金渗碳处理后 可形成显微组织和 钨 、钴 含量的梯度 分布 , 其特征是
合金表层和次表层的 η相已经完全消失 , 属正常的 WC +γ两相组织 , 合金的芯部依然是含 η相的三相 组织 , 中间形成了一个富钴层 ;碳原子的扩散和液相钴的流动 是形成梯度的原因 ;在各 渗碳温度下 , 合金 的梯度结 构厚度均随渗碳时间的增加而增加 ;在渗碳 时间和 渗碳温 度相同 的情况 下 , 合 金的梯 度层厚 度均随 合金初 始总碳含量的增加而增厚 。 渗碳处理后外表面的 WC 晶粒可能会产生一定的粗化现象 。 关键词 :硬质合金 ; 渗碳处理 ; 梯度组织 中图分类号 :TG135.5 ; TG156.81 文献标识码 :A 文章编号 :1009-6264(2008)01-0116-05
Abstract :A WC-Co gradient cemented carbides was prepared by carburizing WC-Co cemented carbides with different carbon content.The microstructure of the alloy was investigated by optical microscopy , SEM and EDS analysis.The results show that microstructure with gradient tungsten content and cobalt content is obtained by carburizing the WC-Co cemented carbides with lower carbon content.The microstructure of the carburized layer with gradient characteristics consists of the surface layer without ηphase and the cobalt-rich sub-surface layer with normal WC + γphases, and tungsten content slightly decreases but cobalt obviously increases from surface layer to core , a cobalt-rich layer forms in the middle layer , whereas ηphase still exists in the core .The formation of gradient microstructure is possibly attributed to the inward carbon diffusion and the inward flow of liquid cobalt during carburization .The results also show that the thickness of gradient structure increases with the increase of carburizing time and the carbon content of the original WC-Co cemented carbides in the same conditions.A certain degree of coarsing of WC grain in the surface layer is observed for carburized cemented carbides. Key words:cemented carbides ;carburizing treatment;gradient structure
第 1期
肖逸锋等 :WC-Co 梯度硬质合金的制备及渗碳对其组织的影响
1 17
韧两相含量呈梯度分布是解决此类问题的主要方法 。 若将此类材料制备成梯度结构 , 在满足使用要求的前 提下 , 有利于降低热应力 、抑制应力集中 、提高冲击韧 性和断裂韧性[ 1 , 3-7] 。
本文对硬质合金在流动氢气中不加渗碳助剂进
2 结果与讨论
2.1 烧结态的组织 A 、B 和 C 三种缺碳 WC-Co 硬质合金经 1440 ℃×
60min 低压烧结后的显微组织如图 1 所示 。 由图 1 可 知 , 硬质合金中形成了 η相 , 且随着碳含量的降低 , η 相含量逐渐增加 、分散的均匀性变差 , 并趋向于成大 块状 。此外 , 合金中的 WC 大多呈多角特征 。 上述现 象主要原因在于 , 硬质合金在烧结过程中发生反应 , 生成 η相 , 消耗了部分 Co , 液相含量大大 减少 , 不利 于液相烧结三个阶段的进行 , 即液相含量减少 , 液相 难以流动 , WC 颗粒的滑动 、旋转和一次重排进行困 难 , 生成的 η相就会在局部位置被“钉扎” , 组织均匀性 就会变差 , 且随着碳含量的降低更加严重 ;同时 , 液相 含量的减少 , 溶解 -析出难以完全进行 , 大颗粒的棱 角 、微凸及微细的颗粒没有足够的液相来溶解 , 颗粒形 状会被保留下来 , 使得 WC 呈现多角特征 。 2.2 渗碳处理后的组织 2.2.1 渗碳处理后的组织