渗碳工艺对WC-Co梯度硬质合金的梯度结构和硬度的影响

渗碳工艺对WC-Co梯度硬质合金的梯度结构和硬度的影响 渗碳工艺对WC-Co梯度硬质合金的梯度结 构和硬度的影响 第l8卷第3期 Vb1.18No.3 中国有色金属 TheChineseJournalofNonferrousMetals 2008年3月 Mall2oo8 文章编号:1004—0609(2008)03—0465—06 渗碳工艺对WC.Co梯度硬质合金的梯度结构和硬度的影响 肖逸锋一,贺跃辉,丰平,谢宏一,马自省一,张丽娟,黄自谦,黄伯云 (1.中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙410083: 2.湘潭大学机械工程学院,湘潭4ll105; 3.株洲硬质合金集团有限公司,株洲412000) 摘要:对缺碳硬质合金采用渗碳处理制备梯度硬质合金,利用显微组织分析和维氏硬度测试等方法,研究渗碳 工艺对梯度硬质合金的梯度结构和硬度的影响.结果明:渗碳处理后随着渗碳时间延长,梯度层厚度增大,长 时间渗碳还会出现梯度结构消失现象;渗碳时表面层WC晶粒长大,且渗碳时间越长晶粒长大越严重;渗碳后梯 度硬质合金的表面硬度明显提高;渗碳后合金的表面硬度明显高于烧结态合金的表面硬度;随着渗碳时间的延长, 合金表面硬度先增大后减小;合金的硬度在截面上沿梯度方向呈连续梯度变化,合金表面层因WC含量较高,钴 含量较低而具有较高的硬度,中间层因钴含量较高,WC含量较低,其硬度较低. 关键词:WC.Co硬质合金;,梯度结构;渗碳;硬度 中图分类号:TF124.5;TG135.5文献标识码:A Effectsofcarburizingprocessongradientstructureand hardnessofWC-Cogradientcementedcarbides XIAOYi.fengl一, HEYue.hui,FENGPing,XIEHong一,MAZi.xingl一 , ZHANGLi~uan,HUANGZi.qian,HUANGBai.yun (1.StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,China; 3.ZhuzhouCementedCarbideGroupLtd.,Zhuzhou412000,China) Abstract:Gradientcementedcarbideswerepreparedbycarburizingcarbon-deficientcementedcarbides.Theeffectsof carburizingprocessesonthegradientstructureandhardnessofWC-Cogradientcementedcarbideswereinvestigatedby opticalmicroscopy,scanningelectronmicroscopyandVickershardnesstest.Theresultsshowthatthethicknessof gradientstructureincreaseswithprolongingofcarburizingtimeandthegradientstructuredisappearsafterlongtime carburizing.WCgrainsinthesurfacelayergrowaftercarburizingandthegrowthdegreeincreaseswithcarburizingtime. Thesurfacehardnessofas-carburizedalloysisobviouslyhigherthanthatofassinteredalloys,whichincreasesfirstly thendecreaseswithprolongingcarburizingtime.Thehardnessofas-carburizedalloysinthecrosssectionvaries continuouslyandgradientlyalonggradientdirection,namelythehardnessishigherinthesurfacelayerforhigherWC contentandlowercobaltcontent,whichislowerinthemiddlelayerforhighercobaltcontentandlowerWCcontent. Keywords:WC-Cocementedcarbides;gradientstructure;carburizing;hardness 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【卜.例如,地质矿山用硬质 合金钻具这类钻齿表面耐磨和整体耐冲击,传统 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50323008) 收稿13期:2007—07—18;修订日期:2007-12—10 通讯作者:贺跃辉,教授,博士;电话:0731—8836144;E—mail:yuehui@mail.CSLI.甜 u.ca 中国有色金属2008年3月 均匀结构硬质合金通常不能满足此种工作条件,而硬 质合金中的脆,韧两相含量呈梯度分布是解决此类问 题的主要途径【4J.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[3-4]. 含WC+Co+r/三相结构的硬质合金渗碳处理可以 制备具有梯度结构的硬质合金[5】.这种硬质合金的成 分和显微组织在空间均形成梯度分布:表层一定深处 的r/已经完全消失,而合金的芯部仍然保持WC+Co+r/ 的三相结构;表面钴含量较低,中间层钴含量最高, 芯部的钴含量为名义成分.本文作者在业已制备出梯 度硬质合金的基础上,进一步研究渗碳工艺对合金的 梯度结构和硬度的影响. 1实验 实验所用的WC粉,w粉和Co粉的性能见表l. 将WC粉,Co粉和w粉配制成低于化学计量碳含量 的WC.6Co混合料,总碳含量的值为5_3O%(质量 分数).混合料加入适量聚乙二醇和酒精,通过湿磨, 喷雾干燥,制粒后采用单向模压的方法压制成长条状 的样坯,压制压力为100l~FlVa.采用脱成形剂和烧结 一 体炉在1440?低压烧结60min,烧结后试样的尺 寸为6.5mmx5.25mmx21mnl.分析测试后再将余样 等分埋入碳黑中,在通有流动氢气的还原炉中进行 l430?渗碳处理,渗碳时间分别为4O,6O,80,100, 120和140min. 表1原料粉末的性能 Table1Performanceofrawpowders 所有待测试样的表面和横切面进行抛光处理.采 用Leica公司的MeF3A金相显微镜和Q550图像分析 仪,以及扫描电子显微镜(JSM-6360LV)进行微观结构 观察与测量. 硬度测试按GB/T4340.1一l999《金属维氏硬度试 验第l部分:试验方法》进行.采用FV一700维氏硬 度仪测定其表面硬度,实验力为29.42N;采用Leica 公司的MHT一4显微硬度仪测定沿梯度方向的硬度变 化规律,实验力为O.98N.测量压痕对角线的长度, 由式1可计算得到试样的维氏硬度(Hv) Hv=O.1891F/d2 式中风为维氏硬度;F为实验荷载;d为压痕对角 线长度平均值. 2结果与分析 2.1梯度硬质合金的显微组织特征 图l所示为试样经l440?低压烧结60min后的 显微组织.因试样5.30%的总碳含量远低于其化学计 量(5.76%),X射线衍射研究表明合金中生成Cow6C 和co3W3C两种相【.烧结试样再经l430?渗碳 80min处理后,合金横截面显微组织如图2所示.由 图2(a)可见合金中形成明显的富钴层,横截面可以分 为表面区,中间富钴区和芯部这3个区域.图2(b),(e) 给出3个区域显微组织的细节:相比于烧结态的缺碳 硬质合金,芯部组织变化不大,依然是含相的 WC+Co+q的三相组织;表层和中间层的相则已经 完全消失,为WC+Co两相组织;定量分析表明,表 层和富钴层的Co相体积分数分别为10.161%和 33.803%. Co3W3C+2C一3WC+3Co(2) Co6W6C+5C一6WC+6Co(3) 刘咏等[S-lO】从扩散热力学和动力学详细讨论梯度 结构的形成机理,认为钴梯度的形成主要受碳扩散和 WC晶粒长大导致的液相流动的影响.渗碳处理初期, 表层由于碳势较高,先于内部出现液相,溶解在液相 中的相与扩散进来的C原子发生式(2)和(3)的相分 解反应【8】,反应区的相消失,分解出WC和Co.反 应生成的WC通过溶解一析出机制在表层较粗的WC 颗粒上析出,导致WC晶粒的长大并伴随表层出现更 多的液相,反应界面的两边形成较大的液相浓度差. 同时,为了降低体系的自由能,在表层液相中碳浓度 梯度的作用下,相分解出的w原子开始向表层迁移 并与溶解于液相中的C原子结合形成WC,引起表层 的WC含量增加,并在表层WC颗粒上析出使表面的 WC晶粒长大.w原子向合金表面迁移留下的体积缺 陷被液相钴所填补,从而在合金WC+Co两相区与 第18卷第3期肖逸锋,等:渗碳工艺对WC.Co梯度硬质合金的梯度结构和硬度的 影响467 WC+Co+~/三相区之间形成富钴层.可见,w原子向 合金表面迁移也是梯度结构形成的原因之一. 图1烧结态缺碳硬质合金的显微组织 Fig.1Microstructureofas—sinteredWC-6Cocarbon-deficient cementedcarbidesshowingWC,Coandphase(bright,dark andgrayphasesrefertoWC,Coandphase,respectively) 2.2渗碳时间对梯度结构位置的影响 图3所示为1430?渗碳不同时间后合金的横截 面显微组织.由图3可知,渗碳40min或60min时, 富钴区已经形成并有一定的宽度但钴浓度不高,表面 区较窄;随着渗碳时间的延长,富钴层钴浓度逐渐增 大,富钴层逐渐向内部推移,表面区厚度随之增加, 至120min时接近于最大值,之后继续延长渗碳时间 则会出现富钴层消失的现象:合金富钴层由外及里钴 含量逐渐由低变高,后由高又逐渐变低,即在合金中, 粘结相含量的变化是连续过渡的. 如前分析,短时渗碳时由于碳扩散量有限,仅使 表层较窄范围内的相发生分解,因此富钴区钴浓度 不高.随着渗碳时间延长,碳扩散使得合金一定厚度 处的相分解,析出的co相由于液相迁移而聚集在 两相区与三相区之间,时间越长富钴层离表层越远且 钴浓度越高.对于本实验样品来说,渗碳120min几 近极限,继续延长渗碳时间,在之后的不长时间内芯 部的相就会完全消失.这时芯部的钴含量最大,随 后则会由于钴浓度梯度的存在,芯部的钴向外扩散, 所以渗碳140min后富钴层已经消失. 2.3渗碳时间对表面层组织的影晌 图4所示为1430?渗碳不同时间后合金表层的 ,渗碳处理后表层WC晶粒 显微组织.由图4可见 产生了一定程度的聚集,长大现象,且渗碳时问越长, 图2梯度硬质合金横截面的显微组织 Fig.2Microstructuresofcrosssectionofgradientcementedcarbides(Volumefractionofcob altphasein(b),(c)and(d)isabout 4.513%,33.803%and10.161%,respectively):(a)Micrographmorphologyofcrosssection; (b)Core;(c)Cobalt_richlayer;(d) Surfacelayer 468中国有色金属 图3l430?渗碳不同时间后试样横截面的显微组织 Fig.3Morphologiesofcrosssectionofsamplescarburizedat1430?fordifferenttime:(a)40min;(b)60min;(c)80min;(d) 100min;(e)120min;(f)140min 图4l430?渗碳不同时间后试样表层的显微组织 Fig.4Microstructuresofsurfacelayerofgradientcementedcarbidescarburizedatl430?fordifferenttime:(a)60min;(b)80 min;(c)lO0min;(d)120min 长大越严重,并且伴随钴池的形成. 前期研究表明,合金内部的WC和相随着渗 碳时间的延长也会出现聚集长大,这与表层WC晶粒 长大的机理不一样.表层WC晶粒的长大除了受渗碳 时间的影响外,主要还在于碳含量的影响. UPADHYAYA等["曾经报道,碳含量强烈地影响WC 晶粒的长大,随着碳含量的提高,合金的组织有粗大 化的倾向.渗碳处理过程中,表层的碳含量高于内部 的碳含量,表层形成液相的温度较芯部低,其液相的 数量(体积分数)也比芯部多,这样必然会引起表层WC 第l8卷第3期肖逸锋,等:渗碳工艺对WC—Co梯度硬质合金的梯度结构和硬度的影响469 晶粒长大;同时,渗碳时间的延长进一步促使表层 WC晶粒粗化. 2.4渗碳时间对表面硬度的影响 图5所示为1440?低压烧结60min后再经 1430?分别渗碳40,60,80和100min后试样表面 硬度变化规律.由图5可见:渗碳后的梯度硬质合金 的表面硬度明显高于未经过渗碳的烧结态硬质合金的 硬度;随着渗碳时间的增加,合金的表面硬度值先增 大后减小. 根据MILMAN等l屹1的解释,硬质合金的硬度与 WC晶粒大小,钴含量以及合金各相性能之间存在式 (4)所述的Hall—Petch关系:. H=Ho+Kyd一j 式中?为合金的硬度;d是WC的平均晶粒大小; 凰和分别为合金各相性能的函数.凰和可分别 表示为ln1 H0=?ow.~OwcC+?.m(1一~wcC)(5) K=ow.~OwcC+0m(1一~wcC)B(6) 式中=丽1-tpwc;c=2Nwc;wc w?(1一C)2?wc+J7vwc—c0… 为WC的体积分数;C为WC的连通性;Nwc和Nwc-c. 分别为单位长度线段上WC/WC晶界和WC/Co相界 的节点数. 由式(4),(6)可知,WC—Co硬质合金的硬度与合金 中硬质相WC的晶粒度,粘结相的含量等微观组织结 构的特征参数有关.一般来说,WC—Co硬度合金的硬 度随钴含量的增加或WC晶粒尺寸的增大而降低【l1. 渗碳处理后,合金的硬度受两个因素的影响:表面钴 含量的降低导致的硬度增加和WC晶粒的长大导致的 硬度降低.短时间渗碳时,由于WC晶粒的长大不显 着,前者占主导地位,合金的表面硬度相应增加,并 随渗碳时间的延长而增高;当渗碳时间较长时,如图 4所示,由于合金表面的WC晶粒长大和粘结相的聚 集,导致表面硬度降低.实验同时表明,渗碳处理后, 合金表面硬度始终保持在较高的数值,确保了其耐磨 性的要求. 2.5梯度方向的硬度分布 图6所示为1440?低压烧结60min后经1430 ?渗碳80min处理制得的梯度硬质合金用显微硬度 方法测定的维氏硬度沿梯度方向的变化规律.由图6 可知:沿梯度方向合金的硬度也是梯度分布的,合金 兰 至 上 .2 > Curburizingtime/min 图5渗碳时间对梯度硬质合金表面硬度的影响 Fig.5Effectofcarburizingtimeonsurfacehardnessof gradientcementedcarbides 兰 上 .2 > Distancefromsurface/~m 图6梯度硬质合金截面显微维氏硬度沿梯度方向的变化 Fig.6VariationofVickcrshardnessofcrosssectionalong gradientdirectionforgradientcementedcarbides 表面和芯部均具有较高的硬度,外表面的维氏硬度值 超过16.5GPa,芯部的维氏硬度在15.2,15.5GPa之 间,而中间富钴带的维氏硬度最低只有12.2GPa. 由图2和3可知,渗碳处理后在合金的内部空间 形成钴含量连续变化的梯度结构,上述关于硬质合金 硬度的分析说明这是导致合金硬度曲线呈连续变化的 主要原因.合金表面WC含量较高而钴含量较低,因 而具有较高的硬度和耐磨性;合金的中间富钴层钴含 量较高而WC含量较低,因而硬度较低而韧性较好. 3结论 ' 11缺碳硬质合金渗碳处理后形成钴含量梯度分 470中国有色金属2008年3月 布的结构;随着渗碳时间延长,梯度层厚度增大,对l5(8):1194-1199. 于小试样长时间渗碳还会出现梯度结构消失现象;渗[7】肖逸锋,贺跃辉,丰平,谢宏,张丽娟,黄自谦,黄伯云. 碳处理后表层WC晶粒出现不同程度的长大,且渗碳碳含量对缺碳硬质合金组织和性能的影响[J].中国有色金属 时问越长晶粒长大越严重.,200,7(1):0-44? 2)渗碳后合金的表面硬度明显高于烧结态的?Ao?feng,胍Y.ue-hu,FENGPing,XIEH.ng,zHANG 表面度;随着渗碳时间的增加,表面硬度值先增Li-ju . an . ,HuGZ . i-qi .an,HuANGBai..-yun.Effec,tsof…carbon. 大后减小.cco eme nte n n t t ed oi c 1 arb in i l de go s【J】 SU" .Th lll e l~ Ch an ines or J啪 qkl a C l S .f o N i . G n ~I fe I- u U s C M I e乜 lol l l s [ , UUoDCIDUI卜l 3)合金的硬度在截面上沿梯度方向呈连续梯2007,l7(1):39—44. 度变化,合金表面层因WC含量较高,钴含量较低,[81龙郑易,刘咏,跃辉,肖逸锋,周永贵,李芳.渗碳时 具有较高的硬度;中间层因钴含量较高,WC含量间对梯度硬质合金显微组织和抗弯强度的影响【J].中国有色 较低,其硬度较低.金属学抿2007,l7(2):326-330. LONGZheng?yi,LIUYong,HEYue?hui,XIAOYi?feng,ZHOU REFERENCESYong'gni-LIFang?Effe..f.arburizingimeonmicrostru.ture andtraBsverserupturestrengthofgradedcementedcarbides[J]. AKERMANJ,FISCHERUKR,HARTZELLECemented [1】 T 32 h 6 e 一 3 C 3 h O i . neseJournalofNonferrousMetals2007,,l7(2): .arbid.bodywithextrat0ughbehVioUS545324l【P]'[9】LIUY on&WANGHai-bing,LONGZheng.yi.IJJAWPK, l995.09-26. YANGJiarI.ga.,HUANGBai-yun.Micros仃ucturalev.luti0n [2】DROuGGELlT0olof..mented.arbidef0.uning,punching0rarIdmecharIicalbehaviorsofgr adedc锄enledcarbides[J1.Ma,ter nibbling?US5235879[P】.1993-08一l7.s ciEngA.2006,426:346-354. 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