1、YG8 硬质合金强流脉冲电子束表面改性层的组织和性能 徐洋 刘聪 张波 杨帅 郝胜智 辽宁工程技术大学材料科学与工程学院 大连理工大学材料科学与工程学院 摘 要： 对 YG8 硬质合金试样进行强流脉冲电子束 (HCPEB) 表面辐照处理。利用扫描电镜和 X 射线衍射方法分析样品表层显微组织结构变化, 测量基体及改性样品的表面显微硬度和耐磨性能。结果表明, 随着脉冲次数增加, 试样表面熔化程度增加, WC 晶粒细化, 形成了 2m 的重熔层。表面改性层形成 WC1-x、Co 3W9C4相。经 25 次脉冲处理样品的表面显微硬度增加到 2105 HK。磨痕深度较基体降低约86%, 磨损率降至 17
2、.9 mm3min-1, 约为基体试样的 48%。关键词： YG8 硬质合金; 强流脉冲电子束; 显微组织; 硬度; 耐磨性能; 作者简介：徐洋 (1975) , 男, 副教授, 博士, 主要从事新材料的制备及材料表面改性研究, 联系电话:0418-3350703, E-mail:收稿日期：2017-02-18基金：辽宁省大学生创新创业训练计划项目 (201510147043) Microstructure and properties of modified surface of YG8 hard alloy irradiated by high current pulsed electro
3、n beamXu Yang Liu Cong Zhang Bo Yang Shuai Hao Shengzhi College of Materials Science and Engineering, Liaoning Technology University; School of Materials Science and Engineering, Dalian Technology University; Abstract： Surface of YG8 hard alloy was modified by high current pulsed electron beam irrad
4、iation.The modified surfaces were characterized with scanning electron microscopy, X-ray diffraction.The surface microhardness and wear resistance of the modified surface and the matrix were measured respectively.The results show that the surface melting degree of the samples becomes severe, as the
5、increasing of the pulsing number.The WC grains were refined drastically, and the thickness of the re-melting layer on the top surface reaches about 2m.There produce WC 1-xphase and Co3W9C4phase in the modified surface of the cemented carbide.The sample irradiated with 25 pulses shows the highest mic
6、rohardness, the wear trace depth decreases by about 86%, and the wear-off rate decreases to 17.9 mm3min-1, which is improved 48%comparing to the non-irradiated samples.Keyword： high current pulsed electron beam (HCPEB) ; YG8 hard alloy; microstructure; hardness; wear resistance; Received： 2017-02-18
7、硬质合金是以难熔金属碳化物 (如碳化钨、碳化钛、碳化钽和碳化铌等) 为基体, 铁族金属钴或镍等作为粘结金属, 用粉末冶金的方法制造的合金材料1。硬质合金具有硬度高、耐磨性好、红硬性好、热膨胀系数小以及良好的化学稳定性等一系列优良的性能2-5, 硬质合金的耐磨性与其硬度有着密切的关系, 当硬度增加时, 硬质合金的耐磨性也明显增加, 硬质合金的耐磨性比高速钢高得多6-8。YG8 合金属于 WC-Co 硬质合金, 含钴量为 8% (质量分数) , 属于中等晶粒硬质合金。作为硬质合金中最常用的 YG 类合金中的代表性材料之一, 应用范围十分广泛, 常被应用于切削刀具、矿山地质用工具、耐磨零件等方面。作
8、为切削刀具用合金, 它主要用于加工铸铁、有色金属及其合金、非金属材料, 对被加工材料进行不平整断面和间断切削的粗车、粗刨、粗铣、一般孔和深孔的钻孔和扩孔。在现代工业生产中, 硬质合金在金属切削加工、石油钻井、矿山采掘及国防军工等方面都得到了广泛的应用。现代机加行业对硬质合金刀具的加工效率、使用寿命和维护成本等方面提出更高要求, 因此研究和开发硬质合金刀具表面改性新工艺具有重要的实用价值9。近年来, 在现代材料科学中, 表面处理工艺技术的开发和应用研究一直是个十分活跃的领域, 并富有成果10。利用高能量密度的电子束流作为热源, 对材料进行加工处理的方法统称为电子束加工技术。其中强流脉冲电子束材料
9、体系开展的强流脉冲电子束表面改性基础试验, 发现当高能量密度射束作用到材料表面时, 材料表层的物理、化学和力学性质发生显著变化, 可实现常规方法难以达到的表面改性效果。因此, 强流脉冲电子束技术作为一种新的高效的表面改性技术, 应用前景十分广阔12。本文采用工业常用的 YG8 硬质合金为试验材料, 研究了强流脉冲电子束辐照处理后试样表层的组织和性能的变化规律, 探索强流脉冲电子束硬质合金表面改性工艺的应用前景。1 试验材料及方法试验材料 YG8 合金样品由硬质合金生产厂家直接提供, 试样尺寸为16 mm4 mm, 其成分为 92%的 WC 和 8%的 Co, 经机械研磨和抛光后, 试样表面用丙
10、酮和酒精溶液进行超声波清洗、干燥。强流脉冲电子束表面改性试验均是在大连理工大学三束材料改性试验室的 HOPE-I 型强流脉冲电子束系统上完成, 该系统是在俄产 Nadezhda-2 型强流脉冲电子束装置基础上自行设计研发, 将能量密度提高到 10 J/cm, 脉宽延长到 6s, 保留低加速电压优点, 能够满足试验所需的改性工艺参数需求。郝胜智对 Nadezhda-2 型强流脉冲电子束试验装置进行了改进设计13, 使该试验设备更加适合应用于材料表面改性, 本试验采用的电子束处理工艺参数包括:工作真空度为 7.810Pa, 靶极间距为 60 mm, 工作加速电压为 23.4 k V, 能量密度为
11、4 J/cm, 脉冲轰击次数分别为1、3、5、10、15、25 和 50 次, 脉冲持续时间为 2.5s。利用 SS-550 及 SU-70 型扫描电镜下分析试样的表面和截面的组织形貌变化, 用 SHIMADZU XRD-6000 型 X 射线衍射仪 (采用 Cu 靶) 对试样表层的相结构进行分析。在 DNH-2LS 型努氏显微硬度计上对试样的表面和截面进行显微硬度的测量, 测量值为努氏硬度 (HK) , 采用 10 g 加载砝码, 为了得到更加准确的统计结果, 每个硬度值都至少是 9 个测量值的平均。微动磨损试验在 UMT-2 摩擦磨损测试仪上进行, 采用直径为4.76 mm 的 Si3N4
12、陶瓷压头, 磨损试验条件为:载荷 30 N, 行程 5 mm, 滑动速度 1 mm/s (往复) , 时间为 40 min。在 ML-10 型磨损试验机上进行宏观磨损试验, 采用 900 号金刚石磨盘作为对磨材料, 加载载荷 50 N, 磨损时间为 2 min。2 试验结果与讨论2.1 表面及截面显微形貌图 1 为强流脉冲电子束辐照前后 YG8 合金样品的表面 SEM 形貌。YG8 合金基体中 WC 硬质相颗粒常具有规则的几何形状, 呈灰白色;WC 晶粒尺寸较为均匀, 在个别区域有粗晶粒碳化钨的聚集现象。粘结相 Co 通常呈白色 (图 1 (a) ) , 表面分布一些烧结孔隙和空洞。经 1 次
13、脉冲处理后, 可以看到有一些 WC 晶粒的边界有逐渐消失的趋势, 开始变得圆滑, 另外大块的晶粒有破碎的趋势 (图 1 (b) 所示) 。随着脉冲次数的增加, 试样表面重熔现象越发明显, 晶粒逐渐细化, 形成了重熔层。表层形成特有的熔坑, 并产生了一些微裂纹 (图 1 (ce) 所示) 。当脉冲次数增加至 50 次, 微裂纹从数量和尺寸上都有较大程度的增加, 连接在一起, 呈网状分布, 表面呈现出类似龟裂的形貌特征 (图 1 (f) 所示) 。图 1 强流脉冲电子束处理前后 YG8 合金试样表面 SEM 形貌 Fig.1 Surface morphologies of the YG8 allo
14、y before and after HCPEB treatment 下载原图(a) 基体; (bf) 分别为 1、5、15、25、50 次脉冲处理试样 (a) the substrate; (b-f) the specimens after 1, 5, 10, 15, 25 and 50 times pulsed treatment, respectively图 2 给出了 23.4 k V 下强流脉冲电子束辐照处理 YG8 合金试样的截面形貌。可以看到, 经 1 次脉冲处理后 (图 2 (a) ) , 试样表面发生了熔化, 熔层的厚度大约为 0.4m。表层的 WC 晶粒形状发生变化, 边界
15、开始变得圆滑, 表层可观察到晶粒细化现象, 熔化使得试样的表面变得致密。经 25 次脉冲处理后 (图 2 (b) ) , 表层重熔充分, 形成了约 2m 的重熔层, 与亚表层的热影响区界限分明。表层可看到超细晶组织, 重熔不仅使试样的表层组织致密、晶粒细化, 而且使亚表层数微米深度范围内 WC 颗粒间的孔隙和空洞被填实。图 2 HCPEB 处理 YG8 合金试样截面 SEM 形貌 Fig.2 Cross-sectional morphologies of the YG8 alloy specimens after HCPEB treatment 下载原图(a) 1 次脉冲; (b) 25 次脉
16、冲 (a) 1 times pulsed treatment; (b) 25 times pulsed treatment2.2 改性处理试样表层物相分析图 3 给出了原始试样和强流脉冲电子束辐照处理后的 YG8 硬质合金的 X 射线衍射分析结果。原始试样主要由硬质相 WC 和粘结相 Co 两相构成。经 23.4 k V 加速电压下强流脉冲电子束 5 次脉冲轰击处理后, YG8 合金样品的 XRD 图谱中出现了 WC1-x、和 Co3W9C4相衍射峰, 随着脉冲次数的增加, 析出的 WC1-x相所占比例逐渐增大。在 226.1处也出现了石墨相的 (002) 衍射峰, 这说明经强流脉冲电子束辐照
17、处理后, YG8 合金试样的表层也可能析出了石墨14。物相分析结果表明 YG8 合金试样经强流脉冲电子束辐照处理后表面发生了相变, 新生成的 WC1-x相属于 fcc 结构, 相较于简单六方结构的 WC 相来说, 使表面改性层的强塑性提高, 使试样表面得到强化15。图 3 YG8 硬质合金原始试样及 HCPEB 处理试样的 XRD 图谱 Fig.3 XRD results of the original YG8 alloy specimen and YG8 alloy specimens after HCPEB treatment, respectively 下载原图2.3 表面显微硬度对比强
18、流脉冲电子束辐照处理前后 YG8 合金试样的表面显微硬度变化趋势, 如图 4 所示。基体试样约为 1638 HK。经辐照处理后, 表面显微硬度呈现升高的趋势。1 次脉冲辐照处理后, 试样的表面显微硬度约为 1670 HK, 比基体试样略有提高。从 5 次辐照开始, 表面显微硬度提高明显, 其中 5 次辐照约为 1857 HK。25 次辐照试样的表面显微硬度达到最大值, 约为 2105 HK, 较基体提高约29%。此后脉冲次数继续增加导致试样的表面显微硬度有所降低。强流脉冲电子束辐照后 YG8 合金试样表面硬度的提高与表面的 WC 晶粒细化、面心立方结构的WC1-x相的形成、强流脉冲电子束表面改
19、性时快速的加热和冷却过程中诱发的应力场使试样表层出现层错和位错缠结结构、表层组织的致密化等因素有关16。当脉冲次数继续增加, 试样的表面显微硬度的降低可能与表面微裂纹的形成有关。图 4 HCPEB 辐照处理 YG8 合金试样的表面显微硬度 Fig.4 Surface microhardness of the YG8 alloy specimens after HCPEB radiation treatment 下载原图2.4 耐磨性能图 5 为强流脉冲电子束表面处理前后 YG8 合金试样的微动磨损表面磨痕形貌。可以看到, 基体试样的磨痕表面分布着许多剥落坑, 剥落坑的形成与摩擦磨损过程中发生粘
20、着磨损有关 (图 5 (a) ) 。强流脉冲电子束辐照处理后的试样磨损后表面的剥落坑明显减少, 出现带有磨粒磨损特征的犁沟形貌 (图 5 (b) ) 。图 6 为强流脉冲电子束辐照处理前后 YG8 合金试样的微动磨损耐磨性能测试结果。可以看到, 经强流脉冲电子束辐照处理后试样表面的耐磨性能均有提高。基体试样的磨痕深度约为 4.89m, 25 次辐照处理试样的磨痕深度仅约为1.33m, 磨痕深度较基体试样降低约 86%。图 7 为强流脉冲电子束表面处理前后 YG8 合金试样的宏观耐磨性能测试结果。其中 25 次辐照处理试样的磨损率降至 17.9 mmmin, 约为基体试样磨损率的 48%。图 5
21、 HCPEB 辐照前后 YG8 合金试样微动磨损磨痕形貌 Fig.5 Fretting wear scar morphologies of the YG8 alloy specimens before and after HCPEB radiation treatment 下载原图(a) 基体磨痕形貌; (b) 25 次脉冲处理试样磨痕形貌 (a) the original one; (b) after 25 times pulsed treatment图 6 HCPEB 辐照前后 YG8 合金试样磨痕深度 Fig.6 Wear scar depth of the YG8 alloy spec
22、imens before and after HCPEB radiation treatment 下载原图图 7 HCPEB 处理前后 YG8 合金的磨损率 Fig.7 Wear rate of the YG8 alloy specimens before and after HCPEB radiation treatment 下载原图强流脉冲电子束处理后 YG8 合金试样的表面耐磨性能的提高除了与表层晶粒的细化、组织的致密有关、还与面心立方结构的 WC1-x相的形成以及过渡相Co3W9C4相的析出、强流脉冲电子束的辐照加工硬化等有关, 另外硬质合金的耐磨性与其硬度有着密切的关系, 当硬度增加
23、时, 硬质合金的耐磨性也明显增加。3 结论1) 强流脉冲电子束表面处理的 YG8 合金试样表面的孔隙和空洞缺陷逐渐减少, WC 晶粒细化, 形成了约 2m 的重熔层, 同时表面有熔坑及微裂纹产生, 表层形成了 WC1-x、 和 Co3W9C4混合组织。2) 随着脉冲次数的增加, YG8 合金试样表面显微硬度呈现升高的趋势, 其中提高最明显的是 25 次脉冲处理 YG8 合金试样, 其表面显微硬度约为 2105 HK, 较基体提高约 29%。3) 辐照处理后试样的耐磨性能也有显著提高, 其中 25 次脉冲处理的 YG8 合金试样达到最佳状态, 其磨痕深度仅约为 1.33m, 较基体试样降低约 8
24、6%;磨损率降至 17.9 mmmin, 约为基体试样磨损率的 48%。参考文献1陈献廷.硬质合金使用手册M.北京:冶金工业出版社, 1986. 2任鑫, 曹丹凤, 徐洋, 等.强流脉冲电子束处理对 WC-Co 硬质合金耐磨性的影响J.金属热处理, 2015, 40 (10) :22-24.Ren Xin, Cao Danfeng, Xu Yang, et al.Effect of high current pulsed electron beam treatment on wear resistance of WC-Co hard alloysJ.Heat Treatment of Meta
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