WC_Co类硬质合金疲劳特性研究现状

1、WC󰀁Co类硬质合金疲劳特性研究现状/郭圣达等 69WC󰀁Co类硬质合金疲劳特性研究现状郭圣达,张正富1,2(1󰀁昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明650093;2󰀁自贡硬质合金有限责任公司,自贡643011)摘要󰀁󰀁综述了WC󰀁Co类硬质合金疲劳裂纹的产生及扩展特性,指出WC󰀁Co类硬质合金在使用时同时受多种疲劳的共同作用,但疲劳失效的主要形式是不同的,其中在中软岩石层中工作时的疲劳失效主要是由热疲劳引起的,在硬岩石层中工作时的疲劳失效主要是由冲击疲劳引起的。根据

2、文献资料可归纳出:合金显微组织结构(晶粒度)、化学成分(Co量、总碳等)、纯净度(微量元素)和合金残余应力都是影响合金疲劳性能的主要因素,尤其认为Co粘结相的平均自由程是影响合金疲劳性能最主要的因素。关键词󰀁󰀁硬质合金󰀁疲劳特性󰀁影响因素StudyonFatiguePropertyofWC󰀁CoCementedCarbideGUOShengda1,ZHANGZhengfu1,2(1󰀁FacultyofMaterialsandMetallurgical,KunmingUniversityofScien

3、ceandTechnology,Kunming650093;2󰀁ZigongCementedCarbideCorp,Ltd,Zigong643011)Abstract󰀁󰀁InthisarticlethepropertyofformationandexpandsoffatiguecracksinWC󰀁Cocementedcarbidesaresummerized,it󰀂spointedoutthatmanytypesoffatigueaffectWC󰀁Cocarbidewhenit󰀂s

4、working,butthemainfor󰀁mationoffatigueisdifferent,thereinto,thermalfatigueisthemainfactorwhichleadstoalloyfailurewhenit󰀂susedinterranewhichhasacommonrigidity,shockfatigueisthemainfactorwhichleadstoalloyfailurewhenit󰀂susedinhardterrane.Somemajorconclusionsaresummedup:Themicrost

5、ructure(WCgrainsize),chemicalcomposition(Cocontentandcarboncontent),purity(impurityelement)andresidualstressofalloyaremainfactorswhichcanaffectthefatiguepropertiesofWC󰀁Cocementedcarbidestrongly,speciallyit󰀂sfiguredthatthemeanfreepathofCobinderisthemostimportantfactortoaffectfatiguepr

6、opertiesofalloy.Keywords󰀁󰀁cementedcarbide,fatigueproperty,influencefactor0󰀁前言WC󰀁Co类硬质合金以高硬度、高耐磨性、高熔点的碳化钨为基体成分,含量高达70%以上;以具有良好的润湿性和高韧性的Co金属作粘结相。目前,WC󰀁Co类硬质合金由于其高的硬度以及良好的韧性特点已被广泛地应用于钻井、采矿、切削工具、耐磨零件等领域。但是硬质合金的断裂一直困扰着其应用发展,疲劳是导致WC󰀁Co类硬质合金断裂的一个主要原因。硬质合金钻齿在地

7、下工作时,齿头整体与地下岩石、土壤等很难一直处于良好的接触状态,并且地下情况复杂,使齿头与地下岩石接触不良区域甚至不接触区域增多,接触不良区域承受高的剪切应力和弯曲应力,这种应力状态在交变载荷作用下容易产生疲劳裂纹;并且,合金钻齿在工作过程中与地下物质相互冲击、摩擦生热,同时合金钻齿又受到冷却介质的冷却作用,由此引起的合金冷热循环现象也会促使合金疲劳裂纹的产生。因此如何提高WC󰀁Co类硬质合金的疲劳性能是当今硬质合金领域研究的重点之一。1󰀁WC󰀁Co类硬质合金疲劳的产生、裂纹扩展特性及影响因素󰀁󰀁WC𘀀

8、1;Co类硬质合金在工作时受到的疲劳效应有热疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳和热󰀁机械疲劳等1,在不同的环境中工作时,导致合金疲劳破裂的主要形式也不同,下面分别对此进行讨论。1.1󰀁硬质合金钻齿在中软岩石层中工作时的疲劳WC󰀁Co硬质合金钻齿大多数的钻岩工作是通过旋转、冲击和冲击󰀁旋转这3种方式进行。中等硬度、中软岩石层硬度较低,结构致密性一般,具有较大的可塑性,磨损性不强,这类岩石的破碎主要靠旋转钻岩方式通过钻齿刮挤、剪切岩石为主,合金齿与岩石的接触过程中由于相互摩擦作用而产生局部分布不均匀的高温现象,导致合金齿内部存在较大的温度梯度,

9、又由于WC相和Co粘结相的热膨胀系数相差很大,合金导热性差,同时钻齿也受到压应力和剪切应力的作用,在这种情况下合金齿出现不同形式的磨损或断裂失效的最主要原因是热疲劳裂纹的形成和扩展。硬质合金热疲劳2󰀁郭圣达:男,1983年生,硕士研究生,研究方向为粉末冶金󰀁E󰀁mail:enga󰀁张正富:男,1968年生,教授,研究方向:粉󰀁󰀁.70 材料导报:综述篇󰀁坑10󰀁2009年6月(上)第23卷第6期(Thermalfatigue)就是当硬质合金在与外界作用时,由于温度的多

10、重循环或周期变化所引起的内能的变化,使材料产生裂纹源及裂纹源扩展成微裂纹过程的现象3。WC󰀁Co类硬质合金在使用过程中外部有温度冷热交替的变化,内部有温度梯度的产生,由于Co粘结相的热膨胀系数比碳化钨的约大3倍,所以存在热胀冷缩差异,当温度升高时Co粘结相承受到压应力,当温度下降冷却时Co粘结相将承受到拉应力,由热胀冷缩差异产生的热应力值󰀁在弹性范围内可用式(1)计算4:󰀁󰀁󰀁=kE󰀂 T(1)式中:󰀂为热膨胀系数; T为热循环温度梯度;k为约束系数(值为0.52.5);E为弹性模量

11、。由式(1)可知,若热应力值󰀁大于硬质合金抗弯强度,将导致WC/Co相界面弱化,使Co粘结相对WC颗粒的支撑粘连作用弱化甚至破坏,WC相由于缺少Co粘结相的粘接作用而不断被剥落产生微孔洞5;随着微孔洞尺寸不断变大,相邻的孔洞将相连形成微裂纹,裂纹沿WC/Co界面和通过WC相向材料深处扩展,在有大面积磨损平面和足够的热量并且有足够热应力的情况下发展成为热疲劳的典型特征!龟裂纹6。我们知道WC󰀁Co类硬质合金是由硬质碳化钨相(WC)和Co粘结相2部分所组成,前者是高熔点的硬脆相,抗热疲劳性弱,而后者是韧性好的软相#,具有较高的抗热疲劳性,故热疲劳裂纹优先在硬质相区内

12、形成与扩展7。在循环应力作用下,热疲劳裂纹进一步扩展,导致钻齿表面层的剥落;当裂纹尖端受到的应力值超过合金强度临界应力值时,裂纹将进一步扩展并最终导致硬质合金钻齿断裂8,9。硬质合金钻齿在硬岩层中工作时还受到温度突然变化的影响,由此引起的热冲击也加速了合金断裂失效。热冲击(Thermalshock)是由合金表面温度突然降低引起的,热冲击导致合金表面发生剧烈收缩,表面产生张应力,应力集中形成微裂纹最后发展成为热冲击疲劳裂纹12。热冲击疲劳和热疲劳一样都是由于温度变化,合金不同相的热膨胀系数不同,产生应力集中所引起的,但引起热疲劳的是循环的温度变化,而热冲击则是由无规律的温度变化引起的。Jb

13、3041;riPirso认为WC󰀁Co硬质合金钻齿在工作时会受到严重的热冲击作用,合金在严重的热冲击作用下,Co粘结相对WC相的粘结作用被减弱,Co相被挤出脱落,裸露在硬质合金表面的WC颗粒失去粘结介质。无粘结相支撑的WC颗粒很容易被破坏、脱落,在热冲击的循环作用下,裂纹进一步增大、扩展使硬质合金被破坏13。1.3󰀁硬质合金腐蚀疲劳的特点在岩石层中工作时,硬质合金一般还会受到腐蚀环境的作用而产生腐蚀疲劳,这是由于钴粘结相抗腐蚀性能非常差,当遇有腐蚀性物质时,Co粘结相首先被腐蚀脱落,WC相失去Co粘结相的粘结支撑作用而不断脱落,形成微裂纹并最终导致合金破裂。腐蚀

14、疲劳不仅受腐蚀环境的影响,还受到循环载荷的影响,循环载荷频率越高,合金受到腐蚀作用越明显,而且载荷越大,在合金的应力集中区域就越容易产生腐蚀疲劳;同时腐蚀疲劳也能促进机械疲劳的进一步发展,两者之间相互促进,共同作用于硬质合金上14。1.4󰀁硬质合金疲劳性能的影响因素合金的疲劳性能与许多因素有关,不同类型的疲劳影响因素也不尽相同,为了表达方便,我们分开来叙述。热疲劳是由于合金受温度的冷热循环变化,WC相与Co相间存在热胀冷缩差异,产生的热应力导致WC/Co相界面弱化出现微裂纹而产生的。针对热疲劳的特点,发现改变WC相的晶粒度、添加微量元素和改变钴含量等因素都能影响硬质合金的热导率

15、,改变热胀冷缩差异,影响合金抗热疲劳性能;合金的强度与韧性越大,则合金吸收热应力功的能力越强,因此改变合金化学成分、显微组织结构和纯净度都能影响合金的强度,从而影响合金的抗热疲劳性能15;对硬质合金进行热处理也能减小合金的残余应力,提高合金的抗热疲劳性能。冲击疲劳是由于合金在循环冲击载荷作用下,Co粘结相结构发生改变致使硬质相与粘结相发生脱离,产生微裂纹而产生的。合金本身存在的缺陷,是冲击疲劳的主要裂纹源,因此减少合金的缺陷,也能提高合金的抗冲击疲劳性能;添加微量元素,能有效阻止钴相由面心立方结构转变为密排16六方结构,也能提高合金的抗冲击疲劳性能。腐蚀疲劳是由于Co粘结相被腐蚀脱落,使WC相

16、失去粘结相的粘结支撑作用而不断被剥落,并最终形成微裂纹而产生的。要提高合金的抗腐蚀疲劳性能,首先是要增强粘结相的抗腐蚀性。添加微量元素能有效增强粘结相的抗腐蚀;1.2󰀁硬质合金钻齿在硬岩石层中工作时的疲劳硬岩层有硬度高、结构致密、可塑性低的特点,钻齿在足够的负载下紧压岩石,并不停转动,合金齿与岩石之间发生大量摩擦,使硬岩石产生裂纹、裂开、最终破碎。在这种钻岩方式下,合金主要的失效方式是磨粒磨损、脆性断裂和冲击微观裂纹,而冲击微观裂纹是由冲击疲劳引起的。冲击疲劳(Shockfatigue)是材料在循环冲击载荷下,即使应力未能达到硬质合金的强度极限,但在交变的冲击压缩和拉伸应力作用

17、下,产生疲劳裂纹的现象10。在应力作用下,硬质合金Co相由面心立方结构转变为密排六方结构,并且硬质相与粘结相发生脱离现象,撤去应力,脱离现象仍存在,再施加应力,脱离层进一步增加,并在循环冲击载荷作用下进一步扩展,形成网格状微裂纹,产生11三维立体结构缺陷,硬质合金结构发生劣化现象。冲击疲劳裂纹可能来源于合金齿内部或表面的缺陷,如孔隙、Co池、石墨、夹杂、脆性相、结晶不好以及弱化的晶界等,也可能来源于由热冲击疲劳引起的孔洞和微裂纹或是粘结相的反复塑性变形。裂纹一般在外表面或里表面成核,其发展方向与晶粒分布和应力分布有关,或沿着与表面平行方向曲折发展,最后折向表面形成较大面积的薄片脱落,宏观上看有

18、一WC󰀁Co类硬质合金疲劳特性研究现状/郭圣达等与韧性,影响合金吸收应力的能力,当合金吸收应力的能力增强时,机械疲劳对腐蚀疲劳的促进作用将会降低,这也能提高合金的抗腐蚀疲劳性能。合金的显微组织结构、化学成分、微量元素的添加、对硬质合金进行热处理等方法都能影响硬质合金抗疲劳性能,但WC󰀁Co硬质合金在工作时并不只是受到1种或2种类型的疲劳影响,而是多种疲劳共同作用,各种疲劳的影响因素也不只是影响一种疲劳,也可能会影响其它种类的疲劳性能。162071冲击性能,这个观点也被其它学者所认同。P.Kindermann等8,21,22认为WC󰀁Co类硬质合金

19、在低温时Co相以&󰀁Co相(fcc)存在,在循环热载荷作用下,随着温度的升高(从417%到600%),由于WC相的热膨胀系数只有Co相的1/3,温度的变化使WC与Co之间产生热应力,并使堆垛层错形成于Co相中,Co粘结相要承受塑性形变,包括切变和位错运动,Co相由&󰀁Co相(fcc)转变为󰀁Co相(hcp),其中&󰀁Co相(fcc)是面心立方结构,比密排六方的󰀁Co相(hcp)具有更好的塑性,在温度高于750%时,由于形核长大与通过位错运动而形成的堆垛层错的增加,󰀁Co相(h

20、cp)又会慢慢转变成&󰀁Co相(fcc),使合金塑性得到提高。ChonghaiXu通过在WC󰀁Co硬质合金中加入适量的稀土元素(如Ce、Y等)或其化合物来提高WC󰀁Co硬质合金强度、韧性和致密化,认为在粘结相中加入稀土元素后,能减少或阻止&󰀁Co相(fcc)向󰀁Co相(hcp)的转变,减少缺陷位置处潜在的󰀁Co相(hcp)数量。由于&󰀁Co相(fcc)的延展性比󰀁Co相(hcp)的强,故合金塑性在很大程度上得到提高,使WC󰀁Co

21、类硬质合金在高硬度岩层的使用中表现出良好的抗疲劳性能23。WuLiu22通过对WC󰀁20%Co(质量分数)硬质合金的研究,认为烧结成的硬质合金直接进行淬火回火处理,得到的合金Co与WC的结合比与炉冷合金的结合要好,抗疲劳性能更高,这是因为:&淬火处理能提高&󰀁Co相(fcc)向󰀁Co相(hcp)转变的开始温度,使&󰀁Co相(fcc)更难向󰀁Co相(hcp)发生转变;淬火后的回火处理能导致Co相中含有Co3W、Co3WC,阻缓&󰀁Co相(fcc)转变为󰀁

22、Co相(hcp);(在热载荷循环作用下,经热处理的合金不易形成表面空位及微裂纹,尽管经过热处理的合金的热传导性能比未经热处理的合金的要低,但WC相中的宏应力及残余应力都被消除掉了,故经过热处理的硬质合金的强度更高。英国物理研究所F󰀁C.Dary等19用小型电热󰀁机械测试装置研究了WC晶粒大小、Co量、固溶量及碳量的变化对硬质合金疲劳的影响,在&循环温度(200800%),温度变化频率为0.11Hz,恒载荷为900N;循环温度(200800%),温度变化频率为0.2Hz,循环载荷(-800N!+800N)的实验条件下对硬质合金进行实验,认为减少合金含Co量

23、,在不出现贫碳相情况下减少总碳量(磁饱和越小),增大合金的固溶量都能有效提高硬质合金的疲劳寿命,并指出Co相平均自由程(Meanfreepath)的减小是延长合金疲劳寿命的最主要因素。󰀁󰀁Atot=(Ael+Apl)式中:Ael为弹性形变,Apl为塑性形变。能量吸收系数(:plAelCo󰀁󰀁(=2󰀁提高WC󰀁Co类硬质合金抗疲劳性能的主要方法󰀁󰀁WC󰀁Co类硬质合金由WC相以及包围在其四周的Co粘结相组成。人们通过选择及控制WC颗粒的晶粒度和Co粘结相

24、的含量来保证合金的物理机械性能。大颗粒硬质合金的实验研究证明,大颗粒硬质合金(WC晶粒度为45!m,Co粘结相质量分数为8%16%,断裂韧性至少是18ksi(in)0.5(约19.8MPa m1/2),洛氏硬度大于85或87)比传统大小晶粒度的硬质合金(WC晶粒度为23!m,Co粘结相质量分数为11%16%)在满足了磨损数的前提要求下(大于2),强度、断裂韧性都有相当大的提高17。美国Smith公司关于钻齿热疲劳和热冲击抗性的专利指出,硬质合金热疲劳性能和热冲击性能(TFR)与材料物理性能有以下关系18:KIC󰀁󰀁TFR(1-) (2)E式中:#是合金材料的热导

25、率,是合金材料转移或传导热的能力;󰀂是热膨胀系数,是合金材料加热时的线性膨胀率;为泊松比;E是合金的弹性模量;KIC是合金的断裂韧性。专利中的粗晶低钴#法就是适当增大硬质合金中WC的晶粒度(大于4!m),减少Co含量(低于14%(质量分数)。当WC晶粒度增大时,WC晶粒结晶更完整,亚晶粒增大,缺陷减少,粒度均匀,减少了合金WC/WC界面和WC/Co界面,以及WC颗粒的聚集区,从而有效地减少了热疲劳裂纹源的存在数量,能在一定范围内改善合金韧性;又由于硬质合金中各相的热导率有以下关系:<%<纯Co<WC、WC+%+<WC+%,因此Co含量减少,合金热传导率#

26、增大,由式(2)可知合金抗热疲劳性能和抗热冲击性能增强。72CoCo材料导报:综述篇󰀁󰀁2009年6月(上)第23卷第6期v󰀁󰀁L=SvWC/Co式中:4VvCo为Co相体积分数,SvWC/Co为WC与Co相的接触面积。实验表明:提高硬质合金的能量吸收能力是减少缺陷在硬质合金中产生和发展的最佳方法,高(将导致高的疲劳断裂抗性,能有效阻碍微裂纹的扩展,在超微观、微观及宏观水平上缺陷转变成三维立体结构的可能性降低;要增加合金能量吸收能力的一条有效途经是减小Co相受到的应力,增加Co相层的厚度,并用高温法#制得的WC粉作为原料生产硬质合

27、金,使合金具有更高的塑性,以及在WC󰀁Co硬质合金的成分中加入适量的Ni、Si等元素获得数值很高的Atot和(,以提高合金抗疲劳性能。高温法#生产WC粉是指把WO3的氢气还原温度控制在约1200%,碳化成WC粉的温度约为2200%,由此方法生产出的WC粉颗粒大,晶粒重结晶生长更加完整,亚晶粒增大,微观应力变小,具有更好的塑性。总的来说,增大WC的晶粒度、降低Co含量、加入适量的微量元素、对硬质合金进行热处理等方法都可以有效提高硬质合金抗疲劳性能,但是对不同应用的硬质合金,应选择相应的方法来改进合金的抗疲劳性能。3󰀁结语疲劳是WC󰀁Co类硬质合金断

28、裂的一个主要原因,概括来说硬质合金疲劳是由于合金受到循环应力和温度的冷热变化使合金微观组织结构发生改变,Co粘结相的塑性变形持续增大并逐渐发生移动出现空隙,WC相之间失去Co粘结相的支撑作用而不断剥落,WC相受到的应力不断增大并最终形成微裂纹,微裂纹进一步扩展导致合金出现裂纹断裂的过程。在中软硬度岩石层中,热疲劳裂纹的形成和扩展是合金受到破坏的主要原因,因此增大合金的热导率是提高合金抗热疲劳性能的主要方法。在硬岩石层中,由冲击疲劳产生的裂纹的形成和扩展是硬质合金最主要的破坏形式,阻止Co相由面心立方结构转变为密排六方结构、增加合金的应力功吸收能力是提高合金抗冲击疲劳的主要方法。合金显微组织结构

29、(晶粒度)、化学成分(Co量、总碳等)、纯净度(微量元素)和合金残余应力都是影响合金疲劳性能的主要因素。Co粘结相平均自由程的改变是影响合金疲劳性能和合金使用寿命的最主要因素。然而,每一类型的疲劳不是孤立地作用在合金上,硬质合金在正常使用过程中一般会受到多类型疲劳的共同影响并有主次之分,这将使针对合金疲劳断裂的研究更加复杂,需要广大学者的进一步研究与探索。4󰀁谭永生,蔡和平,刘忠侠,等.硬质合金截齿齿头的失效分析J.稀有金属,1998,22(6):4695󰀁BailySG,PerrottCM.WearprocessesexhibitedbyWC󰀁

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31、on,microstructuraleffectsandfatiguesensitivityJ.ActaMater,2002,50:23818󰀁BesteU,HartzellT.Surfacedamageoncementedcarbiderock󰀁drillbuttonsJ.Wear,2001,(249):3249󰀁KonyashinI.Novelultra󰀁coarsehardmetalgradeswithrein󰀁forcedbinderforminingandconstructionJ.IntJRefract

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