強流脈沖電子束輻照YG6X硬質(zhì)合金表層組織與性能研究

2014-02-22 郝勝智 三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗室

　　對YG6X硬質(zhì)合金進(jìn)行強流脈沖電子束(HCPEB)表面輻照處理。利用金相顯微鏡、掃描電鏡和X射線(xiàn)衍射方法分析樣品表層顯微組織和相成分變化，測量HCPEB改性樣品表面顯微硬度和摩擦磨損性能。結果表明，經(jīng)HCPEB處理的YG6X硬質(zhì)合金表層發(fā)生重熔，WC顆粒尺寸細化并與Co粘結相互溶擴散，形成WC1-x、Co3W3C和Co3W9C4混合相組織，經(jīng)20次脈沖處理樣品的表面顯微硬度增加到24.3GPa，磨痕深度由改性前的2.96μm減少到0.4μm。

　　WC-Co硬質(zhì)合金具有高硬度、高強度、良好的耐磨損和耐腐蝕等性能特點(diǎn)，從發(fā)明之初就一直作為刀模具制作的首選材料�，F代加工業(yè)的迅速發(fā)展對生產(chǎn)效率、切削質(zhì)量和維護成本等方面提出更高要求，通過(guò)表面改性手段進(jìn)一步提高WC-Co硬質(zhì)合金工具的表面性能具有十分重要的工程意義。

　　近年來(lái)，強流脈沖電子束(Highcurrentpulsedelectronbeam，簡(jiǎn)稱(chēng)HCPEB)技術(shù)得到廣泛重視和研究，并發(fā)展成為一種新型高效的材料表面改性手段。通過(guò)在鐵、鋁、銅和鎂等材料體系開(kāi)展的HCPEB表面改性實(shí)驗，發(fā)現處理材料表層經(jīng)歷快速而劇烈的熱力循環(huán)，加熱和冷卻速率108-9K/s，凝固速率達到幾米每秒，表層熱應力達數百MPa至GPa量級，引發(fā)塑性變形和組織細化，改性材料的表面硬度、耐磨性和耐蝕性可得到明顯提高。本文選用YG6X硬質(zhì)合金為實(shí)驗材料，研究HCPEB處理表層的組織和性能變化規律，探索運用HCPEB技術(shù)進(jìn)行硬質(zhì)合金表面輻照改性的應用前景。

1、實(shí)驗材料及方法

　　HCPEB表面輻照實(shí)驗使用HOPE-I型強流脈沖電子束裝置完成，該裝置是由三束材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗室脈沖電子束研究組自主研發(fā)的，是國內首臺采用大束斑和低加速電壓設計的脈沖電子束源，其工作原理和運行指標較俄產(chǎn)Nadezhda-2型強流脈沖電子束源有重大改進(jìn)，主要體現為脈沖時(shí)間調節范圍1～10μs，最大能量密度達到10J/cm2，更加適合高熔點(diǎn)材料的表面處理，并可靈活實(shí)現快速熔凝、汽化蒸發(fā)和合金化等表面改性方法。HOPE-I型強流脈沖電子束裝置于2008年8月開(kāi)始投入運行，為開(kāi)展強流脈沖電子束材料表面改性機理和實(shí)用工藝研究提供了有力支持。本文的實(shí)驗工作中，原始YG6X樣品由硬質(zhì)合金制造廠(chǎng)家直接提供，尺寸為Φ15mm×5mm，經(jīng)機械研磨、拋后，使用酒精清洗并吹干。HCPEB處理采用的工作參數包括：真空壓強8×10-3 Pa，加速電壓27kV，脈沖寬度2.5μs，能量密度6J/cm2，工作頻率0.1Hz，對不同樣品分別進(jìn)行1，5，10，20和35次脈沖處理。

　　利用OLYMPUS-BX51金相顯微鏡、SSX-550和SU-70型掃描電鏡(SEM)及XRD-6000型X射線(xiàn)衍射(XRD)儀進(jìn)行樣品表層組織結構分析。在UMT-2型磨損試驗機上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗，工作條件為無(wú)潤滑，載荷30N，磨損時(shí)間30min。在DMH-2LS努氏顯微硬度計(HK)上測量表面顯微硬度，載荷為25g。

2、實(shí)驗結果與討論

　　2.1、表面和截面顯微組織

　　圖1為HPCEB處理前后YG6X硬質(zhì)合金樣品的表面SEM形貌�？梢钥闯�，原始表面的WC顆粒具有棱角形狀，其間分布著(zhù)燒結形成的孔洞與空腔，如圖1(a)所示。經(jīng)過(guò)1次HCPEB脈沖處理，WC顆粒邊緣出現熔化和圓整(圖1(b))。此后，隨HCPEB脈沖處理次數增加，WC顆粒熔化加劇，WC/Co界面被熔體填充，局部有微裂紋產(chǎn)生(圖1(c))。脈沖次數增加到35次，表面完全重熔有網(wǎng)狀的嚴重裂紋出現，如圖1(d)所示。

YG6X硬質(zhì)合金表面SEM形貌

圖1 YG6X硬質(zhì)合金表面SEM形貌

　　圖2給出HCPEB處理YG6X樣品的截面典型形貌。對應1次HCPEB處理時(shí)，表面起伏嚴重，有局部微熔和Co粘結相噴發(fā)痕跡，關(guān)于HCPEB作用下的表面熔坑形成機制詳見(jiàn)文獻。另外，觀(guān)察到大塊WC顆粒發(fā)生破碎，說(shuō)明HCPEB輻照過(guò)程中處理表層存在幅值極高的熱應力。經(jīng)20次HCPEB脈沖處理后，樣品表面形成了厚度約1μm的重熔層，組織細小、致密，如圖2(b)所示。

HCPEB處理YG6X樣品截面SEM形貌

圖2 HCPEB處理YG6X樣品截面SEM形貌

3、結論

　　(1)HCPEB輻照處理YG6X硬質(zhì)合金表層發(fā)生重熔，WC顆粒尺寸細化并與Co粘結相互溶，形成包括WC1-x、Co3W3C和Co3W9C4相的混合組織。

　　(2)隨HCPEB處理次數增加，表面顯微硬度和耐磨性逐漸提高，經(jīng)20次脈沖處理樣品的表面顯微硬度達到24.3GPa，磨痕深度由改性前的2.96μm減少到0.4μm。

　　(3)使用過(guò)多的HCPEB脈沖處理會(huì )導致硬質(zhì)合金表面出現疲勞熱裂，損害改性表面的使用性能。