精磨WC-Co礦用齒在水及切削液中的腐蝕行為

王明勝，孫東平，歐陽琪

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021）

精磨WC-Co礦用齒在水及切削液中的腐蝕行為

王明勝，孫東平，歐陽琪

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021）

研究WC-6%Co、WC-11%Co硬質合金在水及不同濃度切削液中的腐蝕行為，發現在水中浸泡24h后，兩種合金表面均出現不同程度的銹斑。經過輕度滾磨，合金表面出現不同程度的無Co區，合金表面腐蝕區的橫切面SEM形貌顯示，6%Co合金腐蝕層厚度約為9μm，而11%Co合金腐蝕層厚度大約在12μm。在2%濃度的切削液中浸泡72h，6%Co合金仍然完好，而11%Co合金表面出現輕微腐蝕。而在5%濃度的切削液中浸泡72h，兩種Co含量的合金均沒有出現被腐蝕的現象。

中顆粒WC-Co硬質合金；水腐蝕；Co浸出；SEM；EDS分析

中粗顆粒WC-Co硬質合金具有良好的硬度和韌性等綜合性能，廣泛應用于石油開采、礦山開采類牙輪鉆頭及潛孔鉆頭[1,2]。合金齒的制作流程一般為：壓制-燒結-無心磨磨外徑-滾磨。無心磨工序使合金齒獲得良好的粗糙度和精密的尺寸，在使用時直接壓入鋼基體的孔中，以達到較好的過盈配合。滾磨工序主要作用為：一方面消除合金齒表面因無心磨造成的加工殘余應力，另一方面鈍化合金齒的交界面，以防止在鑲嵌過程中劃傷鋼基體。

在實際的無心磨及滾磨生產過程中，冷卻液及水作為重要的介質，無論在儲存還是在加工過程中都不可避免的使用到。Co是一種易腐蝕金屬，因此以Co作為粘結相的WC-Co硬質合金具有較差的抗氧化性能和耐腐蝕性能。醋酸類弱酸對WC-Co硬質合金的腐蝕作用、以及在硬質合金的加工過程中切削液對硬質合金中的Co產生腐蝕和浸出作用均有研究和報道[3-7]。而水對硬質合金的腐蝕性研究，尤其是水對中粗顆粒礦用硬質合金的腐蝕性能報道卻鮮有觸及。

本文旨在研究水及不同濃度的切削液對中粗顆粒硬質合金制品的腐蝕行為，選用WC-6%Co、WC-11%Co兩種中顆粒精磨合金齒作為研究對象，研究不同Co含量的中顆粒硬質合金在水及不同濃度的切削液中的腐蝕情況。

1 實驗

選用 WC-6%Co、WC-11%Co兩種中顆粒合金齒作為研究對象。首先對合金齒進行精磨-輕度滾磨處理，然后將兩種合金齒分別置放于水、2%濃度冷卻液 （正常無心磨使用冷卻液）、5%濃度的冷卻液中，采用相同的實驗條件，并實時對合金齒表面進行觀察。

采用Hitachi S-3000N型掃描電鏡觀察合金齒表面狀態；采用EDAX Genesi-SEMS能量色散X射線能譜儀對表面腐蝕區進行元素分析。

采用ICP法對浸泡過合金的水進行Co含量測定。

2 實驗結果及討論

2.1 合金齒在三種介質中腐蝕性形態對比

圖1所示為合金齒在三種不同介質中浸泡24h的樣品照片。如圖1a所示，合金齒在水中浸泡一天，樣品表面出現明顯的彩色銹斑。在樣品堆壓的位置出現如圖1a中圓圈標注的封閉式“花紋”。而在另兩種不同濃度的切削液中浸泡的樣品均沒有出現彩色銹斑，表面仍然呈現精磨后的金屬光澤。由此表明，添加少量的切削液對WC-Co合金的腐蝕能力明顯減弱，分析原因為：少量切削液的添加改變了水的酸堿性，由弱酸性變為弱堿性。

圖1 WC-6%Co合金齒在三種不同介質中浸泡24小時的樣品照片

圖2 兩種Co含量不同的合金齒在2%濃度的切削液中浸泡72h的照片

圖2所示為兩種Co含量不同的合金齒在2%濃度的切削液中浸泡72h的照片。由圖2發現，在2%切削液中浸泡72小時后，11%Co的合金齒表面出現局部的“暗斑”，且“暗斑”的位置與圖1a中的封閉式花紋相同，同樣在樣品堆壓的位置，6%Co的合金沒有出現此類的“暗斑”。對“暗斑”區域進行SEM形貌及能譜分析，其SEM形貌及能譜分析結果如圖3所示。

圖3 11%Co合金齒表面 “暗斑”SEM照片及EDS分析結果圖

由圖3看到，表面“暗斑”區域出現裸露的WC晶粒，且由EDS分析結果發現，該區域Co百分含量明顯低于合金Co含量的實際值（11%），只有4.14%。由此可見，2%切削液對WC-Co仍有較強的浸蝕能力，且隨Co含量的增加，WC-Co硬質合金的耐浸蝕能力逐漸降低。

而在5%濃度的切削液中浸泡的兩種Co含量不同的樣品中均沒有出現此類暗斑，樣品表面仍然呈現精磨后的金屬光澤。說明，隨切削液濃度的增加，對WC-Co硬質合金的腐蝕性能明顯降低。由此可見，實際生產過程中，可采用2%濃度的切削液來加工WC-Co合金或24h以內的保存，而需超過72h的存放時必須采用5%左右的切削液浸泡。

2.2 不同Co含量合金在水中的腐蝕性對比

兩種Co含量不同的中顆粒合金在水中浸泡24h，均出現不同程度的銹斑和封閉式“花紋”。為了明確銹斑和封閉式“花紋”的形貌產生的原因，首先對樣品滾磨1h，滾磨后的樣品如圖4所示。由圖4看到，樣品經過滾磨后表面的銹斑已全部去掉，表面呈現出精磨后的金屬光澤。而先前封閉式“花紋”的部位出現表面粗糙的暗色區域。對兩區域進行SEM形貌及能譜分析。

圖4 兩種Co含量的合金齒在水中浸泡24h的照片

圖5 6%Co、11%Co合金經水浸泡后的SEM照片

圖5所示為6%Co、11%Co合金經水浸泡后樣品 （經過輕度滾磨去除表面銹斑）的SEM照片，由圖5a1、圖5b1看到，兩種Co含量的合金均出現了表面凹凸不平的“粗糙區”和細微磨痕的“光潔區”。圖5a2、圖5b2為兩種Co含量的合金表面 “粗糙區”的高倍照片。由圖5a2、圖5b2看到，合金表面的“粗糙區”部分幾乎全是裸露的WC晶粒，其中6%Co合金的“粗糙區”中仍存留少量的Co，再次證明了隨Co含量的增加，WC-Co硬質合金的耐浸蝕能力逐漸降低。對兩種Co含量的合金表面進行EDS元素分析。其結果如圖6所示。

圖6 6%Co、11%Co合金經水浸泡后表面不同區域EDS分析結果

由圖6a1、6b1看到，兩種Co含量的合金表面的“粗糙區”Co含量基本為零，說明粗糙區域的Co被水腐蝕掉，形成宏觀無Co區缺陷。由圖6a2、圖6b2看到，即使是“光潔區”的Co含量也明顯少于合金樣品實際的Co含量，說明這些區域的Co也有部分被水浸蝕，且Co含量越高的合金Co損失的越多。采用ICP方法測定，浸泡過合金的水中Co含量為32μg/mL，再次證明了合金中的Co被水所浸蝕。

2.3 經水浸蝕的合金橫切面分析

對經水腐蝕的合金樣品進行切割-拋光處理，觀察腐蝕區的橫切面形貌。圖7所示為兩種Co含量合金樣品的橫切面SEM形貌圖。由圖7看到，兩種合金樣品在被腐蝕區域的橫切面上存在不同厚度的組織疏松區，6%Co合金腐蝕層厚度約為9μm，而11%Co合金腐蝕層厚度大約在11μm。由此可以認為：水對合金中的Co有相當強的浸出能力，致使部分合金表面在一定深度范圍內呈現出無Co區宏觀缺陷。由于水對Co的浸蝕，在WC晶粒間形成大量的孔隙，從而減弱了WC晶粒間的結合力，導致合金的強度等性能大大降低。

圖7 兩種Co含量的合金樣品的橫切面SEM形貌圖

水對WC-Co合金的腐蝕機理，有研究認為Co在水中的標準氧化還原電勢只有-0.28ev（室溫下），而WC為電子的良導體，這就使WC-Co硬質合金在水中形成微電池結構，這些微電池不斷的將合金中的Co腐蝕成Co2+，從而從合金中浸出[8]。切削液的加入有效減緩了水對合金中Co的浸出作用，從而大大延緩了對合金的腐蝕作用。

3 結論

（1）水對6%Co和11%Co兩種中顆粒合金均有明顯的腐蝕性，在水中浸泡24h，兩種合金表面均出現不同程度宏觀無Co區。

（2）切削液的添加有效降低了水對合金的腐蝕能力，11%Co含量的中顆粒合金在2%濃度的切削液中浸泡72h后，表面出現輕微的腐蝕區；而6%Co含量的合金并沒有出現腐蝕現象。

（3）切削液濃度達到5%后，其對硬質合金的腐蝕能力大大降低，即使在其中浸泡72h，兩種Co含量的合金均不出現被腐蝕現象。

[1]遲靜，李惠琪，王淑峰，李敏.礦用WC硬質合金的研究進展與趨勢[J].礦山機械，2010,(8)：23-27.

[2]孫東平，夏斌華.超粗晶粒鑿巖硬質合金研究的新進展[J].鑿巖機械氣動工具，2009,(4)：41-46.

[3]秦頤.鎢基硬質合金的抗蝕性[J].中國制筆，1998，（2）：19-22.

[4]高筠，賈曉明，杜明華.磨削硬質合金刀具時鈷浸出機理的研究[J].工具技術，2001,35（4）：9-11.

[5]王興慶，李曉東，郭海亮，何寶山.Al含量對WCCo硬質合金耐腐蝕性能的影響[J].粉末冶金材料科學與工程，2006,11（4）：219-224.

[6]張好強，賈曉明，王莉娜.電火花線切割工作液對硬質合金模具的腐蝕研究[J].稀有金屬與硬質合金，2010,38（1）：21-24.

[7]Sutthiruangwong S,Mori G,Kosters K．Passivity and pseudopassivity of cemented carbides[J]．InternationalJournal of Refractory Metal&Hard Materials,2005,23:129-136．

[8]馬麗麗．WC-Co硬質合金在水中的腐蝕行為[J]．粉末冶金材料科學與工程，2010,15(6)：635-639．

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