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合金元素对热压烧结Co-WC合金组织及性能的影响

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201 5年2月第35卷第1期 金刚石与磨料磨具工程 Diamond&Abrasives Engineering Feb.2015 总第205期 NO.1 VoI_35 Seria1 205 合金元素对热压烧结Co—WC合金组织及性能的影响 陈功武,董企铭,邹文俊,韩 平,彭 进 (河南1_业大学材料科学与T程学院,郑州450001) 摘要 研究了不同质量分数的合金元素对热压烧结金刚石3-具用钴基结合剂组织结构和机械性能的影 响。在85 Co一15 WC基础合金中分别加入质量分数为2 、5 、8 的Sn粉和羰基Fe粉。实验结果 表明:含质量分数8 Sn的合金组织为片层状,质量分数为8 羰基Fe的合金为等轴状和网状组织。sn 粉的加入能提高合金的硬度,最高达到97.8HRB。添加质量分数为8 的羰基Fe粉使85 Co一15%WC 的磨除率达2.21 。含Sn合金的耐磨性与硬度有关,而含羰基Fe合金的耐磨性的决定性因素为相对 密度。 关键词 钴基合金;合金元素;机械性能;组织结构;金刚石工具 中图分类号TG74 文献标志码A 文章编号 1006 852X(2015)01—0026—05 DoI码10.13394/i.cnki.igszz.2015.1.0006 Effect of elements on the microstructure and property of Co-WC alloys by hot pressing sintering OHEN Gongwu,DONG Qiming,ZOU Wenjun,HAN Ping,PENG Jin (College of Materials Science and Eng ineering,Henan University o/Technology Zhengzhou 450001,China) Abstract Influence of metal mass fraction on microstructure and mechanical property of Co——WC alloy was studied,which was used in hot pressing diamond tools.Sn powder and carbonyl iron powder were added into 85 Co一1 5 WC alloy with mass fraction 2 ,5 ,8 ,respectively.Results showed that alloy containing 8wt Sn has a lamellar structure and that the alloy containing 8wt Fe has an equiaxed and network structure.Added with Sn powder,alloy hardness value reached 97.8HRB.The removal rate reached 2.21 after adding mass fraction 8wt carbonyl iron.The abrasion resistance of Co—WC—Sn alloy had a relationship with its apparent hardness,and the abrasion resistance of Co—Sn—Fe alloy depended on alloy S porosity. Key words Co base alloy;alloying element;mechanical property;microstructure;diamond tool 钴基金刚石工具是以钴粉作为主要的黏结金属, 和其他的合金元素均匀混合后,再加入一定浓度的金 刚石,通过不同的工艺制备的金刚石工具。在硬质合 金的制造过程中,钴作为黏结相存在于基体中起到了 黏结基体和保证强度的作用。例如,在WC和WC+ TiC基硬质合金中,通常使用质量分数为3 ~1O 9/6 的钴作为黏结剂。由于钴基合金能与金刚石的耐磨性 相匹配,并且在高温下能保持较高的强度和硬度,冈 此,是高品质金刚石工具的胎体材料 。钻基合金的 制备方法主要有熔炼法、激光熔敷法、粉末冶金法以及 电镀Co—Fe合金__2 的方法。在粉末冶金法中,热压烧 结工艺被广泛应用于金属结合剂金刚石工具的制造 *基金项目:河南省自然科学项目(1 32102210127) 第1期 陈功武,等:合金元素对热压烧结Co—WC合金组织及性能的影响 固宝艇 建 羰基Fe的质量分数为5 时,合金的相对密度达 到最大值86.4 。当羰基Fe粉的质量分数超过5% 时,相对密度开始下降,Fe粉质量分数为8 时,相比 于含5 羰基Fe粉其相对密度要低2.1 。含质量分 数5 羰基Fe的合金烧结过程中,出现烧流现象;而 在质量分数为8 时,烧流现象严重。由于羰基铁粉 的粒度小,活性大,降低烧结温度,这也是质量分数为 8 羰基Fe的合金在740℃时发生烧流的原因。从图 3中可以观察到大量的孑L隙,导致密度降低。 2.3合金元素对硬度的影响 Sn、Fe质量分数对合金的洛氏硬度的影响如图7 所示。从图7中看出:在含Sn的合金中,试样的洛氏 硬度值随Sn质量分数的增加而显著提高,最大洛氏硬 度值达到97.8HRB。烧结过程中出现了流料的现象, 但合金的硬度并没有因为低熔点物质的流失而降低, 而是随Sn含量的增加而提高,因为熔化的Sn进入颗 粒之间的孑L隙产生毛细作用使合金组织更加紧密,并 且Sn还能与Co发生反应生成硬脆的金属间化合物 Co。Sn。,提高合金的宏观硬度。 Sn、Fe的质量分数w/% 图7 Sn、Fe质量分数对合金的洛氏硬度的影响 图7中,添加羰基Fe粉时,合金的硬度呈现出先 增大后减小的趋势。在添加羰基Fe粉的质量分数为 2%时硬度最大,随后开始大幅下降。质量分数为 0 、2 、5 、8 时的硬度值分别为83.5HRB、 88.3HRB、82.2HRB、71.2HRB,大量的孔隙导致了合 金硬度的降低。 2.4合金元素对耐磨性的影响 合金的耐磨性采用js一53A型砂布耐磨性实验机 进行测试,载荷980 N,时间120 S。其耐磨性的高低 用试样的磨除率来表征,磨除率高则耐磨性差。试样 的原始质量为m。,磨损后的质量为m,则试样的磨除 率的计算公式(2)为: 一( 0一 )/ 。 (2) Sn、Fe的质量分数对合金磨除率的影响如图8所 示。含Sn合金的磨除率随质量分数增加而减小,相应 其耐磨性随着硬度的增大而提高。是因为在Sn含量 为2 ~5 时,能润湿粉末状的Co,促进合金的烧结。 随加入羰基Fe含量的增大,合金磨除率先降低后 增大,相应耐磨性出现先增大后减小的变化。含质量 分数8 羰基Fe的合金耐磨性是所有合金中最低的, 磨除率达到2.21 。羰基Fe粉能降低烧结活化能,起 到活化、促进烧结的作用。但过量的添加Fe粉,会导 致烧结时出现大量的液相,在压力下流出模腔,使合金 组织疏松,降低其耐磨性。 料 盛 Sn、Fe的质量分数W/% 图8 sn、Fe的质量分数对合金磨除率的影响 3 结论 (1)Sn和Fe对Co WC合金的组织结构有不同的 影响,含Sn的合金金相组织为类似珠光体的层片状组 织,而含Fe的合金为等轴状晶粒。 (2)由于金属间化合物Co。Sn。的存在,提高了合 金的耐磨性及硬度。在添加Sn的85 Co一15 WC合 金中,Sn的质量分数为8 时,合金的相对密度达到 83.9%,硬度达到97.8HRB。硬度对含Sn合金的耐磨 性有很大影响,合金的硬度越高则越耐磨。 (3)羰基Fe粉的加入能使85 Co一15 WC产生 活化烧结,但质量分数超过2 后烧结过程中液态金 属的渗出使合金的性能降低。羰基Fe质量分数在 5 的范围内能提高合金的相对密度到86.4 ,质量分 数达到8 后,合金的相对密度降低到84.3 。合金 的相对密度决定了合金的耐磨性,相对密度越高,合金 的耐磨性也越好。 3O 金刚石与磨料磨具工程 第205期 ment and application of a cutting—abrasive impregnated diamond bit[J]China Petroleum Machinery,2O14(6):16 19 参考文献 [1]孙毓超,宋月清.对结合剂中钴的再认识[J]人工晶体学报 2002,31(6):608—615. 郭桦,苏钰,陈剑章,等.Co基金刚石串珠胎体中w添加剂的作 用[J].中国工程机械学报,2007(1):108—112. 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