WC-5TiC-9Co硬質(zhì)合金表面形貌對(duì)焊接性能的影響

熊德樹(shù),時(shí)凱華,李重典,閔召宇

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011)

WC-5TiC-9Co硬質(zhì)合金表面形貌對(duì)焊接性能的影響

熊德樹(shù),時(shí)凱華,李重典,閔召宇

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011)

真空燒結(jié)和Ar分壓燒結(jié)是兩種普遍采用的燒結(jié)工藝,采用此兩種燒結(jié)工藝燒結(jié)樣品并進(jìn)行焊接試驗(yàn),對(duì)焊接前后產(chǎn)品進(jìn)行表面形貌和表面成分檢測(cè)。表明真空燒結(jié)產(chǎn)品表面富Co,有明顯階梯狀的Co相,焊接后表面為藍(lán)色;Ar分壓燒結(jié)產(chǎn)品表面富Ti、貧Co,焊接后表面為黃色;Ar分壓燒結(jié)產(chǎn)品比真空燒結(jié)產(chǎn)品焊接后出現(xiàn)焊接裂紋的幾率高。

硬質(zhì)合金;燒結(jié);表面形貌;焊接裂紋

1 引言

硬質(zhì)合金具有良好的硬度、強(qiáng)度和斷裂韌性的力學(xué)性能配合,使其在切削刀具和耐磨零件部件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。在硬質(zhì)合金表面沉積一層高耐磨材料薄膜可以大幅度提高硬質(zhì)合金切削工具的使用壽命和切削性能[2]。普遍采取涂層工藝來(lái)獲得硬質(zhì)合金表面沉積高耐磨材料薄膜,但也有很多企業(yè)通過(guò)表面改性,如壓力或氣氛燒結(jié)去除產(chǎn)品表面的脫β層(富Co層),在硬質(zhì)合金表面形成一層耐磨材料薄膜,提高產(chǎn)品的使用性能。在涂層工藝中,由于薄膜材料和基體材料的熱膨脹系數(shù)不同,薄膜在冷卻過(guò)程中由于熱應(yīng)力的作用易產(chǎn)生裂紋[3]。硬質(zhì)合金刀片同鋼質(zhì)刀體同樣存在材料膨脹系數(shù)差異,在焊接時(shí)存在焊接裂紋問(wèn)題。對(duì)于焊接類(lèi)刀片,產(chǎn)品表面改性可能會(huì)影響到產(chǎn)品的焊接性能,以下將通過(guò)真空燒結(jié)和Ar分壓燒結(jié)產(chǎn)品表面形貌差異,探討WC-5TiC-9Co合金表面形貌對(duì)產(chǎn)品焊接性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

采用自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)的YT5(WC-5TiC-9Co)原料壓制標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)焊接刀片E233,分別將產(chǎn)品進(jìn)行真空燒結(jié)和Ar分壓燒結(jié)。真空燒結(jié)工藝:升溫至1 450℃保溫,保溫過(guò)程中保持真空狀態(tài)至燒結(jié)結(jié)束,保溫時(shí)間約90 min;Ar分壓燒結(jié)工藝:升溫至1 450℃保溫,保溫過(guò)程中通入200 mbar Ar氣至燒結(jié)結(jié)束,保溫時(shí)間約90 min。

2.2 分析檢測(cè)

利用德國(guó)KOERZEMAT 1.096型矯頑磁力儀檢測(cè)矯頑磁力;利用法國(guó)塞塔拉姆公司的D6025型鈷磁儀檢查鈷磁;利用日本三豐公司APK-600型洛氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度;利用德國(guó)萊卡公司DM5000M型金相顯微鏡觀察金相;利用成都市科瑞普電子設(shè)備廠的KRP-CYP-30的高頻加熱設(shè)備進(jìn)行焊接試驗(yàn);利用日本日立電子S-3000N掃描電子顯微鏡進(jìn)行產(chǎn)品表面形貌觀察,利用HORIBA有限公司的EMAX-320 X射線(xiàn)能譜儀檢測(cè)產(chǎn)品表面成分。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將真空燒結(jié)產(chǎn)品和Ar分壓燒結(jié)產(chǎn)品分別標(biāo)號(hào)為樣品1#和樣品2#。對(duì)兩組樣品進(jìn)行性能和金相檢測(cè),產(chǎn)品的磁力、鈷磁以及硬度等性能沒(méi)有明顯差異,見(jiàn)表1。對(duì)樣品進(jìn)行金相檢測(cè),產(chǎn)品金相結(jié)果反映兩組樣品相組織分布相近,沒(méi)有明顯的成分遷移現(xiàn)象,見(jiàn)圖1。樣品1#和樣品2#采用高頻加熱設(shè)備進(jìn)行焊接,焊接后在100℃～200℃保溫12h左右。在冷卻過(guò)程中和冷卻后樣品1#沒(méi)有出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象,樣品2#在冷卻過(guò)程中和冷卻后出現(xiàn)裂紋,裂紋率約為20%;焊接產(chǎn)品冷卻到室溫后樣品1#和樣品2#產(chǎn)品表面出現(xiàn)顏色差異,樣品1#表面為藍(lán)色,樣品2#表面為黃色,見(jiàn)圖2。

表1 合金性能檢測(cè)和金相結(jié)果

圖1 樣品金相檢測(cè)照片

圖2 焊接后表面顏色和裂紋狀態(tài)圖

4 原因分析

4.1 焊接后表面顏色差異

針對(duì)兩種燒結(jié)工藝產(chǎn)品焊接后表面顏色差異,對(duì)焊接后產(chǎn)品進(jìn)行表面成分分析,見(jiàn)圖3。樣品1#表面成分檢測(cè),見(jiàn)表2,主要元素有O、Si、Co和W。圖譜1主要成分是Si、少量Co、沒(méi)有W元素,檢測(cè)區(qū)域應(yīng)該是產(chǎn)品表面的雜質(zhì)。圖譜2和圖譜3表明產(chǎn)品表面Co含量高達(dá)16%～24%,是產(chǎn)品原料配比的2～3倍,產(chǎn)品表面沒(méi)有檢測(cè)到Ti元素;樣品2#表面同樣檢測(cè)到O、Si、Co和W,還檢測(cè)到Ti。圖譜1和圖譜2中的Ti含量高達(dá)13%以上,接近產(chǎn)品原料配比量的3倍,其中Co含量相對(duì)樣品1#有明顯的減少,小于產(chǎn)品原料配比量的三分之一。圖譜3中主要元素是O和Si,檢測(cè)區(qū)域應(yīng)該是產(chǎn)品表面的雜質(zhì)。兩種燒結(jié)工藝樣品的表面成分檢測(cè)結(jié)果表明產(chǎn)品表面成分差異導(dǎo)致產(chǎn)品焊接后顏色不同,表面富鈷產(chǎn)品焊接后表面為藍(lán)色,表面貧鈷產(chǎn)品焊接后表面呈黃色。

為進(jìn)一步確認(rèn)兩種工藝燒結(jié)產(chǎn)品表面形貌和成分存在差異,對(duì)兩種燒結(jié)工藝樣品直接進(jìn)行掃描電鏡表面形貌檢測(cè)和表面成分分析(見(jiàn)圖4)。樣品1#表面明顯能觀察到階梯狀的Co相,見(jiàn)圖4中1#照片中的a、b、c區(qū)域。樣品2#表面均勻分布WC顆粒,見(jiàn)圖4中2#照片中a、b、c區(qū)域,沒(méi)有明顯Co相分布。樣品1#表面檢測(cè)主要元素是Ti、W和Co,見(jiàn)表3。其中Ti含量4.30%同原料配比量接近,Co含量16.99%是原料配比量的2倍,產(chǎn)品表面富鈷;樣品2#表面檢測(cè)主要元素為T(mén)i和W,Ti含量達(dá)到原料配比的4倍,產(chǎn)品表面沒(méi)有檢測(cè)到Co,產(chǎn)品表面貧鈷,同樣品焊接后表面成分檢測(cè)一致。

圖3 焊接后表面EDS感興趣區(qū)

表2 合金試樣微區(qū)EDS分析結(jié)果

圖4 燒結(jié)后表面SEM照片

圖5 燒結(jié)后表面EDS分析區(qū)域

表3 合金試樣微區(qū)EDS分析結(jié)果

4.2 Ar分壓燒結(jié)產(chǎn)品焊接裂紋

硬質(zhì)合金刀片同鋼質(zhì)刀體焊接時(shí)由于被焊件整體加熱,鋼與硬質(zhì)合金之間的熱膨脹系數(shù)相差太大,從而導(dǎo)致在焊合區(qū)靠近硬質(zhì)合金一側(cè)會(huì)殘存大量應(yīng)力[4],殘余應(yīng)力是導(dǎo)致硬質(zhì)合金焊接裂紋的主要原因之一。

硬質(zhì)合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)(6×10-6K-1)同鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)(12×10-6K-1)相比差別很大,加熱時(shí)硬質(zhì)合金和鋼都自由膨脹,但在冷卻時(shí)鋼的收縮量比硬質(zhì)合金大得多,此時(shí)焊縫處于壓力狀態(tài),而硬質(zhì)合金表面則承受拉應(yīng)力[5]。當(dāng)殘余應(yīng)力大于硬質(zhì)合金的抗拉強(qiáng)度,硬質(zhì)合金表面可能產(chǎn)生裂紋。

從前面分析得知真空燒結(jié)產(chǎn)品表面富Co,Ar分壓產(chǎn)品表面是貧Co,并且Ti含量是產(chǎn)品原料配比5倍左右。硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)系數(shù)比鋼的熱導(dǎo)系數(shù)小得多,硬質(zhì)合金對(duì)熱量的傳遞速度比鋼慢。YT5牌號(hào)硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱系數(shù)為0.15J/(cm·s·℃),Co的導(dǎo)熱系數(shù)為0.69 J/(cm·s·℃)是硬質(zhì)合金熱導(dǎo)系數(shù)的3倍以上,產(chǎn)品富Co層可適當(dāng)提高硬質(zhì)合金熱量向外傳遞速度,減小了硬質(zhì)合金刀片和刀體的溫度差,改善了在冷卻過(guò)程中硬質(zhì)合金刀片同鋼質(zhì)刀體之間的收縮差異,減小冷卻中的殘余應(yīng)力。但TiC的導(dǎo)熱系數(shù)為0.17 J/(cm·s·℃),同硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)系數(shù)接近,不能有效幫助硬質(zhì)合金刀片熱量向外散發(fā),冷卻中硬質(zhì)合金刀片與鋼質(zhì)刀體的溫度差異大,導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀片與刀體有較大的收縮差異,冷卻中有很大的殘余應(yīng)力,產(chǎn)品冷卻中易出現(xiàn)裂紋。

5 結(jié)論

(1)真空燒結(jié)與Ar分壓工藝燒結(jié)WC-5TiC-9Co的產(chǎn)品表面存在成分差異,真空工藝燒結(jié)產(chǎn)品表面富Co,焊接后表面為藍(lán)色, Ar分壓工藝燒結(jié)產(chǎn)品表面貧Co,焊接后表面為黃色。

(2)對(duì)于WC-5TiC-9Co的E233類(lèi)型產(chǎn)品Ar分壓燒結(jié)相對(duì)真空燒結(jié)產(chǎn)品焊接后產(chǎn)品表面所受拉引力大,Ar分壓工藝燒結(jié)產(chǎn)品更易出現(xiàn)焊接裂紋。

[1] 王西龍,宋曉燕,王海濱,等.WC-Co硬質(zhì)合金特征晶面分析的研究 第十一屆中國(guó)硬質(zhì)合金學(xué)術(shù)會(huì)議[C].

[2] 吳恩熙,陳利,張靜,等.真空/壓力燒結(jié)對(duì)硬質(zhì)合金脫β層的影響[J].硬質(zhì)合金,2005, (3):20-22.

[3] M.Ekmth,R.Frykbolm,M.Lindholm et.al. Gradient zones in WC-Ti(C,N)-Co-based cemented carbides experimental study and computer simulations[J].Acta mater,2000, 48:2177-2185.

[4] 朱警雷,黃繼華,張華,等.硬質(zhì)合金與鋼異種金屬焊接的研究進(jìn)展[J].Feature Article專(zhuān)題綜述,焊接,2008:15-18.

[5] 金麗影.硬質(zhì)合金與鋼釬焊的組織性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.

Effect of Surface Topography Coating on Welding Properties of WC-5%TiC-9%Co Cemented Carbide

XIONG De-shu,SHI Kai-hua,LI Zhong-dian,MIN Zhao-yu

(Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd,Zigong,643011,Sichuan,China)

The welding test samples were prepared by vacuum sintering and sintering with Ar atmosphere,Scanning electron microscopy(SEM)and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS)were used to characterize topography and composition of samples surface.The results show that cobalt-rich layer of samples surface was prepared by vacuum sintering and samples surface turned blue after welded.However,Ti-rich and Co-poor layer of samples surface was prepared by sintering with Ar atmosphere and samples surface turned yellow after welded.The samples was prepared by sintering with Ar atmosphere have higher probability of welding cracks than vacuum sintering after welded.

cemented carbides,welding,sintering process,surface topography,cracks

1001-5108(2016)04-0056-05

TF124

B

熊德樹(shù),助理工程師,主要從事硬質(zhì)合金技術(shù)管理及研發(fā)工作。