碳化鎢陶瓷材料之微結構與機械性質之研究 - 陶瓷暨電子材料實驗室 ...
碳化鎢陶瓷材料之微結構與機械性質之研究 - 陶瓷暨電子材料實驗室 ...
碳化鎢陶瓷材料之微結構與機械性質之研究 - 陶瓷暨電子材料實驗室 ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
碳化鎢覡陶瓷材料之微結構與機械性質之研究<br />
碳化鎢覡陶瓷材料之微結構與機械性質之研究<br />
The Investigation of Microstructure and Mechanical Properties of WC Ceramics<br />
盧鴻華 *廖躃文祥<br />
Horng-Hwa Lu Wen-Shiang Liao<br />
國立勤益科技大學機械工程系<br />
Department of Mechanical Engineering, National Chin-Yi University of Technology<br />
摘<br />
碳化鎢 碳化鎢(WC 碳化鎢 WC WC)超硬合金是由鐵金屬群<br />
WC 超硬合金是由鐵金屬群<br />
超硬合金是由鐵金屬群(Iron-group 超硬合金是由鐵金屬群<br />
metal)-最典型者為鈷踃<br />
最典型者為鈷踃<br />
最典型者為鈷踃(Co)與硬的碳化鎢<br />
最典型者為鈷踃 與硬的碳化鎢<br />
顆粒 顆粒,經由液相燒結所<br />
顆粒 經由液相燒結所<br />
經由液相燒結所產生的兩相複合材料頔燒結碳化物<br />
經由液相燒結所 產生的兩相複合材料頔燒結碳化物<br />
產生的兩相複合材料頔燒結碳化物(Cemented 產生的兩相複合材料頔燒結碳化物<br />
Carbide);其中碳化鎢顆<br />
其中碳化鎢顆<br />
粒提供高硬度及耐磨耗性<br />
粒提供高硬度及耐磨耗性,而鈷踃<br />
粒提供高硬度及耐磨耗性<br />
粒提供高硬度及耐磨耗性 而鈷踃 而鈷踃提供了韌化功能<br />
而鈷踃 提供了韌化功能<br />
提供了韌化功能,並作為碳化鎢顆粒的黏結相<br />
提供了韌化功能 作為碳化鎢顆粒的黏結相<br />
作為碳化鎢顆粒的黏結相,形成兼鞎具硬度<br />
作為碳化鎢顆粒的黏結相 形成兼鞎具硬度<br />
形成兼鞎具硬度<br />
與韌性的複合材料頔<br />
與韌性的複合材料頔,被廣為應用在切削刀具<br />
與韌性的複合材料頔<br />
與韌性的複合材料頔 被廣為應用在切削刀具<br />
被廣為應用在切削刀具、模具<br />
被廣為應用在切削刀具 模具 模具、鑽頭上<br />
模具 鑽頭上 鑽頭上。本研究主要<br />
鑽頭上 本研究主要<br />
本研究主要探討碳化鎢超硬合金<br />
本研究主要 探討碳化鎢超硬合金<br />
探討碳化鎢超硬合金<br />
系統中 系統中,以 系統中 系統中 Co 金屬作為助燒結劑<br />
金屬作為助燒結劑,燒結時頗<br />
金屬作為助燒結劑<br />
金屬作為助燒結劑 燒結時頗 燒結時頗分別在<br />
燒結時頗 分別在 分別在 Ar 氣頾及真空氣頾氛下<br />
氣頾及真空氣頾氛下,不同的燒結溫度<br />
氣頾及真空氣頾氛下<br />
氣頾及真空氣頾氛下 不同的燒結溫度<br />
不同的燒結溫度對蹹其<br />
不同的燒結溫度<br />
燒結特顠性及微結構躬之影響<br />
燒結特顠性及微結構躬之影響。實蹴驗結果顯示<br />
燒結特顠性及微結構躬之影響 實蹴驗結果顯示<br />
實蹴驗結果顯示:在氬氣頾中<br />
實蹴驗結果顯示 在氬氣頾中 在氬氣頾中燒結的試片<br />
在氬氣頾中 燒結的試片<br />
燒結的試片,隨著燒結溫度的提高<br />
燒結的試片 隨著燒結溫度的提高<br />
隨著燒結溫度的提高,其密<br />
隨著燒結溫度的提高 其密<br />
度與硬度 度與硬度均隨之增加<br />
度與硬度 均隨之增加<br />
均隨之增加;而在真空中燒結的試片<br />
均隨之增加 在真空中燒結的試片<br />
在真空中燒結的試片,當燒結溫度從<br />
在真空中燒結的試片 當燒結溫度從 1410 1410℃提高到<br />
1410 提高到 1450 1450℃時頗,其密<br />
1450 其密<br />
度與硬度皆大幅下降<br />
度與硬度皆大幅下降,這是<br />
度與硬度皆大幅下降 這是 這是因為燒結溫度過跸高<br />
這是 因為燒結溫度過跸高<br />
因為燒結溫度過跸高,試片<br />
因為燒結溫度過跸高 試片 試片表面因大量<br />
試片 表面因大量<br />
表面因大量的液相<br />
表面因大量 液相 液相融熔軙 液相 融熔軙 融熔軙,導致黏結<br />
融熔軙 導致黏結 導致黏結劑不易<br />
導致黏結 劑不易<br />
脫逸出試片<br />
脫逸出試片,造成試片外觀有<br />
脫逸出試片 造成試片外觀有<br />
造成試片外觀有明顯的氣頾<br />
造成試片外觀有 明顯的氣頾 明顯的氣頾泡產生<br />
明顯的氣頾 產生 產生,使得 產生 使得 使得試片之硬度與密度<br />
使得 試片之硬度與密度<br />
試片之硬度與密度皆有<br />
試片之硬度與密度 皆有 皆有降低 皆有 降低 降低的現象<br />
降低 的現象 的現象,因此<br />
的現象 因此 因此, 因此<br />
在燒結過跸程中<br />
在燒結過跸程中,加入適當的<br />
在燒結過跸程中 入適當的 Ar 氣頾分壓 分壓 分壓,能有效頒<br />
分壓 能有效頒 能有效頒地抑制金屬揮發<br />
能有效頒 抑制金屬揮發<br />
抑制金屬揮發,達跲到燒結緻密的目的<br />
抑制金屬揮發 達跲到燒結緻密的目的<br />
達跲到燒結緻密的目的。<br />
達跲到燒結緻密的目的<br />
關鍵詞 關鍵詞:碳化鎢<br />
關鍵詞 碳化鎢 碳化鎢、液相燒結<br />
碳化鎢 液相燒結 液相燒結、微結構躬<br />
液相燒結 微結構躬 微結構躬<br />
一、前言 前言<br />
碳化鎢產品亦稱為超硬合金(hardmetals)<br />
,是一兼鞎具高硬度、耐磨耗特顠性的陶瓷材料頔。<br />
一般以粉末冶金方式,利用液相燒結方法來製<br />
作,在燒結溫度下,結合金屬與碳化鎢覡形成共<br />
晶液相,將碳化鎢覡顆粒定位包覆[1]。雖然使<br />
用液相燒結方法可得緻密且具韌性之高硬度<br />
特性產品,但在不同燒結參數及氣氛條件影響<br />
下,成品特性會不相同,因為各種冶金上的變<br />
因會對製品性質造成影響。從熱力學及動力學<br />
的觀點,在燒結的過程中,其微結構的組成會<br />
因各種成份的原子固溶及擴散的速率不同,而<br />
有明顯的差異[2]。這些結構上的差異可以由<br />
各種微觀分析儀器如場發射韗掃描式電踝子顯微<br />
鏡(FE-SEM)及 X 光繞射韗分析儀(XRD)、元素<br />
分析(EDS),以及機械性質量測如維克氏硬度<br />
試驗、密度量測等來加以分析。其中碳化鎢在<br />
燒結的過跸程中,因偏析、固溶或壓力的變化而<br />
非常容韕易產生游離碳,形成游離碳或產生其他<br />
相皆會影響微結構躬的發展韙,也會產生對蹹碳化鎢<br />
超硬合金不良的影響[3]。為了防止有其它相<br />
的生成,從粉末準備到燒結完成,皆需精確控<br />
制,產品的性質才能符合要求。燒結中的每一<br />
要<br />
步驟均對蹹成品之微結構躬及機械性質有不同程<br />
度的影響。因此本實驗將針對燒結溫度及氣氛<br />
條件來探討燒結參數之變更對碳化鎢覡陶瓷材<br />
料之機械性質及微結構的影響。<br />
二、實驗方法 實驗方法 實驗方法<br />
2.1 燒結<br />
本研究的實蹴驗流程如圖蹙 1 所示,以 9.983<br />
Wt%的鈷踃、0.016 Wt%的鎳、0.324 Wt%的碳<br />
化釩分別添加至碳化鎢粉末中,壓制成生胚,<br />
在不同燒結溫度(1350℃、1410℃、1450℃)<br />
下,進行兩種不同氣頾氛條件的燒結,第一種氣頾<br />
氛為在一開始時頗將爐管內氣頾體抽真空後,即通<br />
入 Ar 氬氣頾至燒結曲線終了。第二種氣頾氛為全<br />
程抽真空,待降溫溫度達跲 1100℃時頗通入 Ar 氣頾<br />
至燒結曲線終了。另外於第一種氣頾氛條件下再<br />
燒結一個鞄燒結溫度為 1500℃的試片,表 1 為<br />
各個鞄試片之燒結條件。首靫先將試片置於多孔性<br />
耐火磚上,放入爐內,起始加熱速率為 5℃<br />
/min ,於 500℃時頗,持溫 30min 進行脫脂,<br />
脫脂後,以加熱速率 20℃/min 至 800℃,持<br />
溫 30min 進行固相燒結,之後以 20℃/min 升<br />
溫至 1200℃,持溫 30min 進行除氣頾,再以 5
℃/min 速率加熱至燒結溫度 1410℃,持溫<br />
60min 作液相燒結,後以降溫時頗間 30min 降至<br />
1100℃,進行爐冷,待溫度降至 1100℃即通<br />
入 Ar 氣頾 3 小時頗至溫度降為 110℃時頗結束。以<br />
此曲線為中心,在各項燒結參數不變,只更改<br />
最高燒結溫度,在兩種不同氣頾氛中進行燒結。<br />
圖蹙 1.實蹴驗流程圖蹙<br />
表 1.各個鞄試片之燒結條件<br />
2.2 分析<br />
利用阿基米得法量測碳化鎢試片密度。測<br />
完密度後,先以精密磨床,將試片表面研磨平<br />
整,研磨平整後,將試片以冷鑲樹脂進行冷鑲<br />
埋鞹,再依序以 30µm、15µm、6µm、1µm,鑽<br />
石拋光液拋光,最後採用維克氏硬度計量測試<br />
片硬度,而所施加荷重為 50Kgf、負荷時頗間為<br />
15 秒,鑽石針頭下針速率為 70µm/s。<br />
本實蹴驗以 FE-SEM ( HITACHI - S4700<br />
Scanning Electron Microscope)做表面觀察蹸,<br />
將拋光後的試片以 KOH、K 3 Fe(CN) 6 加以調<br />
配成的 Murakami , s 腐蝕液進行蝕刻,再將試<br />
片放入場發射韗掃描式電踝子顯微鏡觀察蹸晶粒排<br />
列、相的分佈,並藉由機器內附的 EDS 做表<br />
面成份分析。<br />
採用 X 光繞射韗儀(Rigaku D/MAX2200-<br />
HPC)進行相分析。以銅靶踢(Cu Kα) 為 X 光光<br />
源,工作壓力 40KV,電踝流 30mA,繞射韗角度<br />
2θ = 20~80°,入射韗角 1°,掃描速度為 4°/分進<br />
行掃描,再以軟體比對蹹其繞射韗峰韠之變化。<br />
三、結果與討論<br />
結果與討論<br />
3.1 氣頾氛之影響<br />
3.1.1 氣頾氛對蹹試片外觀之影響<br />
在真空氣頾氛條件下燒結的試片(X、Y、<br />
Z),外觀呈現深黑色,且表面有些許粗糙及<br />
冒泡之現象,尤其燒結溫度 1450℃的試片(T)<br />
最為嚴重,原鞝因為真空氣頾氛下燒結的試片,由<br />
於溫度較跨高,使液相流動所需的平均路跡徑韬較跨<br />
短,阻礙金屬結合劑流動,造成大量蒸發之結<br />
合劑不易脫逸出試片表面,因而使試片外觀產<br />
生冒泡現象,而將真空氣頾氛燒結的試片,經由<br />
精密磨床研磨表面後,其外觀呈現灰銀色,與<br />
Ar 氣頾氛下燒結之試片外觀相同,因此試片表<br />
面之黑色冒泡現象,判斷為結合劑不易脫逸出<br />
試片表面的結果[2]。<br />
3.1.2 氣頾氛對蹹試片密度之影響<br />
圖蹙2為試片在兩種氣頾氛條件燒結之密度<br />
比較跨,由圖蹙中可看出通入 Ar 氣頾的試片密度較跨<br />
高,此結果與金屬結合劑汽化行為所留下的孔<br />
洞有密切關係。真空下燒結的試片,在液相燒<br />
結階段有大量結合劑蒸發,以至於沒有充份之<br />
液態躊金屬在孔隙中流動,使密度不升反降,由<br />
78.07%降至 73.72%。在通入 Ar 氣頾下燒結的試<br />
片密度比則持續上升,尤其在燒結溫度 1500<br />
℃下燒結的試片(T),其相對蹹密度高達跲<br />
98.23% ,由此可知 T 試片在液相燒結時頗其液<br />
相流動性良好,使試片能緻密化。<br />
圖蹙2.溫度與密度變化之關係圖蹙
3.1.3 氣頾氛對蹹試片硬度之影響<br />
圖蹙 3 為試片在兩種氣頾氛下燒結之硬度比<br />
較跨,由圖蹙中可看出 Ar 氣頾下脫脂的試片能獲得<br />
的緻密性較跨佳,硬度也較跨高,而在真空下脫脂<br />
的試片,可能真空度不夠高,爐管內微量的大<br />
氣頾造成較跨高活性的金屬氧頿化,降低結合劑與<br />
WC 間的潤濕性也影響試片的密度與硬度。<br />
真空氣頾氛下 1450℃燒結的試片其硬度低於溫<br />
度 1410℃燒結的試片,理論上,較跨高燒結溫<br />
度可固溶 W 含量會較跨多,硬度應會提高,但<br />
是受到晶粒成長或碳化鎢接觸性(Contiguity)<br />
降低等因素影響,可能會導致硬度值靹降低[4]。<br />
圖蹙 3.溫度與硬度變化關係圖蹙<br />
由試片 T 我們靽可以判斷在 Ar 氣頾氛下,燒<br />
結溫度 1500℃是最佳的製程條件,其硬度為<br />
Hv1662.75。因在 1500℃持溫長達跲 60min,造<br />
成 Ni 與 Co 極易揮發,通入適度分壓使結合<br />
劑的含量減少較跨為適量,進而造成硬度增加。<br />
3.2 微結構躬分析<br />
3.2.1 SEM 分析<br />
圖蹙 4、圖蹙 5、圖蹙 6 為 B、C 及 T 試片之 SEM<br />
照片,WC 為多角形,壓製後的生胚不可能達跲<br />
到完全緻密,壓製後殘留下的孔洞在燒結時頗,<br />
因 WC 在液相形成時頗,即有固態躊燒結現象,<br />
若其結合強度夠強,在液相形成後的重排階<br />
段,這些固態躊鍵結之 WC 顆粒會阻止重排,<br />
因此,胚體殘留之小孔洞會由融熔軙之液相 Co<br />
因毛細力的作用而填滿軈,至於大孔洞則因晶粒<br />
成長,而使液相回填。局部或全面性的晶粒再<br />
結晶並不規則,所以很容韕易形成孔隙。一般會<br />
加入適量的 TiC、TaC、VC 等粉末來抑制此<br />
晶粒成長現象,本實蹴驗是以 VC 作為抑制劑<br />
[5]。在晶粒形狀方面,因 WC 顆粒有高的不<br />
等向性表面能,導致形狀多為多角形。而燒結<br />
時頗,受到周圍接觸的 WC 顆粒阻礙及結合影<br />
響使其形狀發展韙不完全。由 SEM 照片可以看<br />
出,隨著溫度的提高,碳化鎢顆粒也會隨著增<br />
大。<br />
圖蹙 4.B 試片之 SEM 照片<br />
圖蹙 5.C 試片之 SEM 照片<br />
圖蹙 6.T 試片之 SEM 照片<br />
3.2.2 EDS 元素分析<br />
表 2 為各個鞄試片之成份分析表,由表中可<br />
發現,燒結體的 Co 含量平均小於生胚 4.51Wt<br />
%,而且還發現燒結體多出生胚所沒有的氧頿元<br />
素(O),我們靽從氧頿的平均含量為 4.62 Wt%,<br />
燒結體所損失的 Co 4.51 Wt%,可以判斷燒結<br />
體所減少的 Co 應是燒結時頗揮發掉,而含有氧頿<br />
元素應是發生氧頿化現象所造成。
表 2.各個鞄試片之成份分析表<br />
3.2.3 X-ray 繞射韗分析<br />
為確定生胚經燒結後,結晶相是否改變,<br />
進行 X-ray 繞射韗分析,如圖蹙 6、7 所示。<br />
圖蹙 6.Ar 氣頾氛條件下之 X-ray 繞射韗分析<br />
圖蹙 7.真空氣頾氛條件下之 X-ray 繞射韗分析<br />
燒結體有 Co3 C 相形成,顯示碳化鎢在燒<br />
結過跸程中有脫碳現象發生,這可能是因為在燒<br />
結時頗,部分鈷踃與碳化鎢裡的碳作用,形成<br />
Co C,導致碳化鎢脫碳。EDS 定量分析發現<br />
3<br />
含有氧頿,而由 X-ray 繞射韗分析比對蹹峰韠值靹,並無<br />
氧頿化物形成,判斷氧頿化物生成僅限於表面<br />
[6]。真空氣頾氛燒結的試片,因為缺碳,形成<br />
大量的 Co3 C 相。缺碳對蹹碳化鎢晶粒會有抑制<br />
作用,因為在缺碳情況下,碳化鎢有溶解或轉<br />
換成低碳相的趨勢,自然沒有粗化的驅動力。<br />
四、結論 結論 結論<br />
1.在 Ar 氣頾中燒結的試片,隨著燒結溫度的提<br />
高,其密度與硬度也會跟著提高。<br />
2.真空中燒結的試片,當燒結溫度 1410℃提<br />
高到 1450℃時頗,其密度與硬度皆大幅下降<br />
,判斷為燒結溫度過跸高,表面因大量液相蒸<br />
發,結合劑不易脫逸出試片表面,造成試片<br />
外觀有冒泡現象,降低試片硬度與密度。<br />
3.兩種氣頾氛下燒結之試片,由 EDS 元素分析,<br />
發現都含有氧頿,平均 4.62wt%,代表試片燒<br />
結過跸程與氧頿發生作用,而由 X-ray 繞射韗分析<br />
比對蹹峰韠值靹,並無氧頿化物形成,判斷氧頿化物生<br />
成僅限於表面。<br />
4.通入適度分壓,如本實蹴驗通 Ar 氣頾,能有效頒<br />
抑制金屬蒸發及減少氧頿化反應。<br />
5.降低燒結溫度雖能減少試片表面冒泡,但也<br />
令試片緻密性不足,進而降低試片硬度。<br />
參考文獻<br />
參考文獻<br />
1. 陳羽辰,〝WC 與 AL0.5CoCrCuFeNi 起硬合<br />
金燒結製程與機械性質之研究〞,國立清華<br />
大學碩士學位論文,(2004)<br />
2. 陳宗明,〝製程參數及結合劑對蹹燒結碳化<br />
物之耐磨耗性能與機械性質影響評估〞,<br />
國立台灣科技大學碩士學位論文,(2000)<br />
3. A. Gabriel,H. Pastor,D.M. Deo,S.Basu and<br />
C.H. Allibert,〝New Experimental Date in<br />
theC-Fe-W,C-Co-W,C-Ni-W,C-Fe-Ni-W<br />
and C-Co-Ni-W Sistems Application to Sinterring<br />
Condition of Cemented Carbides Optimization<br />
of Steel Binder Composition by P-<br />
artial Fractional Experiments 〞Sinter85,<br />
Plenum Press,p379~p393<br />
4. 許清建,〝WC-10wt% Ni 超硬合金性質與<br />
微觀結構躬分析及添加 Cr、Mo、Al 之影響〞<br />
國立台灣工業技術學院碩士論文,1996<br />
5. H.Baker(Ed.),Metals,Handbook,10th edn.<br />
,Vol 3,ASMI,Matals Park,OH,1992<br />
6. 林舜天,〝陶金材料頔粉末準備、成型與燒結<br />
研究(I.碳化鎢-鈷踃、鎳系列)〞,行政院<br />
國家韑科學委員鞬會專題研究計畫成果報告 1<br />
,(1995)
Change language