钴含量对粗晶硬质合金磨损性能的影响

曹瑞军，林晨光，马旭东，谢兴铖，林中坤



钴含量对粗晶硬质合金磨损性能的影响

曹瑞军，林晨光，马旭东，谢兴铖，林中坤

(北京有色金属研究总院粉末冶金与特种材料研究所，北京100088)

粗晶WC-Co硬质合金作为新型矿用工具材料，在不同工况条件下的耐磨性能与失效行为对其工业应用具有重要影响。本研究以SiC颗粒为磨料，采用MLD-10型动载磨粒磨损试验机，研究钴含量对WC晶粒度为5 μm的粗晶硬质合金冲击磨粒磨损性能的影响。实验结果表明：钴的质量分数在6%～14%范围内增加时，硬质合金的磨损系数K均呈线性增加，耐冲击磨粒磨损性能则呈线性降低。粗晶硬质合金的耐冲击磨粒磨损机制为：表面层的钴粘结相先被SiC颗粒磨损，然后合金的耐磨性主要取决于凸出WC颗粒的失效行为。因此，硬质合金的磨损系数K与WC硬质相的体积含量呈正比。

冲击磨粒磨损；钴相含量；硬度

矿用硬质合金工作时要承受冲击载荷、磨粒磨损、热疲劳等复杂苛刻的工况条件，从而使WC-Co硬质合金磨损与失效机理变得十分复杂[1]。关于硬质合金的耐磨性研究较多，钴含量、WC晶粒度等硬质合金的组织结构参数和硬度与硬质合金耐磨性的关系被广泛研究[2−9]。研究结果显示：钴质量分数小于20%的硬质合金，其WC的粒度越细硬质合金越耐磨[2−4]；WC相的含量增加，硬质合金耐磨性增强[7−9]。迄今，硬质合金耐磨性的研究多集中于亚微米至中粒度硬质合金，关于粗晶及超粗晶硬质合金耐磨性的研究较少,且一般采用湿砂橡胶轮法(ASTM G65)[7]、钢轮磨损法[3]、销盘法[9]等试验方法研究硬质合金的磨粒磨损行为，此类方法在试验时缺少冲击载荷的作用，而矿用硬质合金使用时一般都需要承受相当大的冲击力。

近年来，矿用硬质合金采用粗晶甚至超粗晶WC-Co硬质合金成为重要发展趋势之一[10−11]。本研究利用冲击磨粒磨损试验和微观结构分析等手段，研究WC晶粒度约为5 μm、钴含量在6%~14%(质量分数)的粗晶硬质合金在冲击载荷作用下的磨粒磨损与失效行为，以揭示粗晶硬质合金在冲击载荷作用下的磨粒磨损机制，研究钴含量对粗晶硬质合金冲击磨粒磨损性能的影响，以期为新型矿用硬质合金的生产与应用提供实验依据。

1 实验

1.1 实验材料及力学性能

采用费氏粒度20 μm的WC粉末和Co粉末经过湿磨、压制、液相烧结等工艺制备钴含量分别为6%、8%、10%、12%和14%(质量分数)的粗晶硬质合金试样。硬质合金试样的尺寸为10 mm×10 mm×50 mm。试样的力学性能如表1所列。采用场发射扫描电子显微镜(JSM-7001F)观察硬质合金的微观形貌。图1所示为YG14硬质合金的微观形貌。在不同视场的SEM照片上，采用截线法测量WC硬质相的平均晶粒度。为保证测量的精度，每个样品至少测试200个WC颗粒。

表1 硬质合金试样的力学性能

图1 YG14粗晶硬质合金的形貌

采用VTD552维氏硬度计测量硬质合金的维氏硬度，每个样品测量3个测试点并求其平均值。

1.2 试验条件及方法

冲击磨粒磨损试验在MLD-10动载磨粒磨损试验机上进行，试验参数为：冲锤质量10 kg，下主轴转速200 r/min，冲击频率100 r/min。实验中，上试样随重锤上下往复运动，下试样转动，下试样的直径为50 mm，实验中冲击功为2.5 J，冲击用磨料为20~40目的SiC，磨料的体视形貌如图2所示。为了便于对冲击表面形貌进行观察并排除表面粗糙度对初始阶段磨损速率的影响，硬质合金试样的冲击面经2.5 μm的金刚石研磨膏抛光。冲击磨损试验前试样在超声波清洗仪中用丙酮清洗，经真空干燥箱120 ℃真空干燥 30 min后称重，而后装在冲击磨损试验机上。在2.5 J的冲击功和相同的磨料流速下，对试样进行连续的冲击磨损，每次实验后在超声波清洗仪中用丙酮清洗试样，真空干燥后在精确度为0.1 mg的分析天平上称重，计算磨损重量。根据磨损重量和密度计算硬质合金的磨损体积。每间隔30 min称一次质量损失，每个样品的冲击磨损总时间为3 h。磨损后用JSM-7001F型场发射扫描电镜观察冲击磨损后的表面形貌并对磨损机理进行分析。

图2 SiC磨料体视形貌图

2 结果及分析

2.1 硬质合金的冲击磨粒磨损性能

材料的磨损体积与相对滑动距离之间的关系规律被广泛的研究[12−13]。为了比较不同材料的耐磨性能，一般采用Landcaster公式，其关系式为：

=K(1)

其中：为磨损体积(mm3)，K为磨损系数(mm3/(N∙m)，为滑动距离(m)，为正向压力(N)。

图3所示为硬质合金磨损体积与滑动距离的关系，图中的数据点为实际测量的数据，直线由采用最小二乘法对数据拟合获得。从图中可以看出硬质合金的磨损体积随滑动距离增加呈线性增加，体积磨损规律符合Archard公式，这表明磨损进行过程中粗晶硬质合金的冲击磨粒磨损机制没有发生变化。表2所列为硬质合金样品的磨损系数K，其为通过将图3中直线的斜率除以载荷(98 N)获得。图4所示为磨损系数K与钴粘结相含量之间的关系，钴含量在6%~14%的范围内，硬质合金的磨损系数K随钴含量增加而增大。对于WC晶粒度在5 μm左右的粗晶硬质合金，随钴含量增加合金耐冲击磨粒磨损性能变差。

2.2 合金的冲击磨损表面形貌

硬质合金磨料磨损的表面，一般存在以下磨损机制：塑性犁沟的形成，粘结相的挤出与移除，WC颗粒的变形、断裂与破碎，硬质合金裂纹的形成以及破碎[14−15]。图5所示为YG10和YG14硬质合金试样冲击磨粒磨损表面的SEM照片，由图可看出，钴粘结相被磨损掉，形成沟槽；粗晶WC浮突在硬质合金表面，有的WC颗粒边角发生破碎，也存在WC颗粒的整体破裂，一些破碎的细小WC碎片粘附在硬质合金的表面；没有发现WC颗粒整体脱落现象，说明在试验的条件下WC颗粒难以脱离Co粘结相的牢固把持。冲击磨料磨损试验造成的硬质合金磨损过程是Co粘结相先被棱角尖锐的SiC坚硬颗粒磨损移除，而后由WC颗粒形成的骨架抵抗SiC颗粒的冲击磨损。

图3 硬质合金磨损体积与滑动距离的关系图

图4 磨损系数K与粘结相钴含量之间的关系

表2 硬质合金的磨损系数K

图5 YG10和YG14硬质合金试样冲击磨损表面SEM照片

3 分析讨论

矿用硬质合金的钴质量分数一般在6%~14%，本试验研究钴含量在此范围的变化对WC晶粒度约为 5 μm的矿用硬质合金冲击磨粒磨损性能的影响。当WC颗粒的晶粒度尺寸基本不变时，随钴粘结相增加，硬质合金的硬度线性降低(如图6所示)。图7显示磨损系数K与硬度HV10之间呈反比关系, 材料的硬度越高，耐磨性越好。通常硬度是硬质合金材料的重要力学性能，被用来表征材料抵抗塑性变形的能力，也常被用来作为指示材料耐磨性的指标。

图6 硬质合金硬度与钴含量间的关系图

图7 磨损系数K与硬度HV10之间的关系

对于硬质合金，若各相的磨损速率相等且各相自身的耐磨性恒定，则随粘结相增多，硬质合金的磨损系数K线性降低[6]。若各相的磨损速率不相等，则磨损系数K与粘结相含量间的关系应为曲线。通过冲击磨损表面形貌可以看出，钴的磨损速率远高于WC颗粒，即WC硬质相与Co粘结相的磨损速率不同，磨损系数K与粘结相含量间的关系应为曲线。本实验的结果却表明了粗晶硬质合金的耐磨性与钴粘结相的含量呈线性关系。产生这种现象的原因可能是：本实验采用的是SiC磨粒，其室温硬度HV0.5为2 500[16]，该硬度远高于Co粘结相的硬度但低于WC硬质相的硬度；冲击磨粒磨损时，接触表面粗晶WC之间的大尺寸Co粘结相易于被棱角尖锐的SiC坚硬颗粒磨损移除，导致钴相的磨损速率远高于硬质相的磨损速率；但Co粘结相被磨损后，硬质合金的耐磨性主要由浮突出表面的WC颗粒骨架承担；亚表面Co粘结相的主要作用是牢固把持粗WC颗粒形成的骨架，不使产生WC颗粒的早期剥落，而主要以粗WC颗粒的破裂脱落而失效；因此表现为硬质合金的磨损系数K与WC硬质相的体积含量呈正比。提高粗晶WC颗粒的抗冲击破碎性可能是提高粗晶硬质合金耐冲击磨粒磨损性能的有效途径之一。

4 结论

1) 对于WC晶粒度5 μm左右的粗晶硬质合金，钴含量从6%增加到14%，硬质合金的磨损系数K从1.05×10−6mm3/(N∙m)线性增加到6.09×10−6mm3/ (N∙m)，硬质合金的耐冲击磨粒磨损性能线性变差。

2) 粗晶硬质合金的耐冲击磨料磨损机制是：接触表面粗晶WC间的钴粘结相，先期被棱角尖锐的SiC磨料磨损移除；然后硬质合金的耐磨性主要由表面的WC颗粒骨架承担；亚表面Co粘结相主要起牢固地把持WC颗粒骨架、不让产生WC颗粒的早期剥落，代之主要以粗WC颗粒破裂脱落而失效的作用；因而硬质合金的磨损系数K与WC硬质相的体积含量呈 正比。

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(编辑 高海燕)

Effect of cobalt content on wear behavior of coarse-grained hardmetals

CAO Rui-jun, LIN Chen-guang, MA Xu-dong, XIE Xing-cheng, LIN Zhong-kun

(Powder Metallurgy and Special Materials Department, General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088)

Coarse-grained WC-Co cemented carbides are used as a new type materials of mining tool and its wear property need to be understood. The effect of cobalt content on wear behavior of coarse grain cemented carbides, whose WC grain size was around 5μm, was investigated by MLD-10-type dynamic load abrasive wear testing machine. The testing results show that with the cobalt mass fraction increasing from 6% to 14%, the wear coefficient K of coarse grain cemented carbides increases linearly and the wear resistance decreases linearly. The impact-abrasion mechanism of coarse grain cemented carbides is that the surface cobalt binder is abrased by SiC abrasives and then the wear resistance of hardmetal mainly undertaken by prominent WC grains, so the wear coefficient K of cemented carbides is directly proportional to the volume fraction of the WC hard phase.

impact abrasive wearing; cobalt content; hardness

TF124.3

A

1673-0224(2015)6-860-05

国家自然科学基金资助(51101021)

2014-10-31；

2015-04-27

林晨光，教授级高工，博士。电话：010-82241202；E-mail: pm@grinm.com