稀土硬质合金实验应用分析

【摘要】在钨钴类和钨钛钴类的硬质合金中添加微量的稀土元素可使硬质合金的抗弯强度、韧性、耐磨性、抗冲击性及红硬性均有大的提高,对合金刀具的使用寿命提高显著。综观稀土硬质合金产品在制造和使用过程中的效果,对其进行分析。

【关键词】稀土 硬质合金 物理力学性能

综述

稀土元素在冶金、机械、石油化工、能源、轻工、环境保护、农业和 电子 行业应用十分广泛,其作用倍受关注,普遍认为其为“未来的元素”。在金属材料方面,稀土一直是人们寄以希望的提高其性能的改性强化材料。国内外对稀土的研究很早就进行了,国内已成功地应用在钢铁制造业,取得了良好的效果。在硬质合金中的应用也取得了很大的成效,这方面的报道也很多。

稀土元素是元素周期表中第三族第六周期的镧系元素以及它们相似的钇和钪共十七个元素。稀土元素化学性能很活泼,与氧、硫的亲和力很强,其化合物也十分稳定。椐资料报道,在硬质合金中添加微量的稀土氧化物,即使没有使硬质合金的强度和硬度下降,但却导致硬质合金的切削性能的下降,如其分布在机体内不均匀,有偏聚,也可成为氧化物夹杂,故稀土氧化物在硬质合金基本上没有的到应用。可见,添加方式和混合效果直接关系到硬质合金物理力学性能的好坏,通常添加微量元素有以单质、氧化物和固溶体(中间合金)形式加入,中间合金形式加入方法广泛应用在黑色和有色金属合金冶炼方面,而硬质合金通常是以稀土金属和氧化物形式加入。氧化物形式加入不可取,而稀土金属在粉末状态加入,制取和添加工艺难度较大,从而一定程度上限制了应用。目前常用的是稀土钴的混合粉作为添加剂,应用效果良好。

1 实验过程及应用效果

(1)混合粉配比:yt5re(细颗粒wc、tic-wc饱和固溶体和co以及稀土钴添加剂,ce加入量为钴含量的0.5%),配制成wc-5tic-10co-re硬质合金的实验料粉。

(2)球磨:经湿磨(乙醇介质,球料比3:1),真空干燥。

(3)其它;加入成型剂压制成形。a标5mm×5mm×30mm抗弯试样和粗加工刀片。然后经(1470-1530)℃40min真空烧结。

(4)测试结果:

ts℃ 1420℃1450℃1470℃

hra89.589.9 89.7

бbb(mpa)168019101850

ρ13.013.0 13.1

(5)使用对比结果(98w-fe-ni-co棒材切削):

与常规yt5比较:耐磨性提高3倍,崩刃下降2倍,寿命3.2倍。(测试期间生产统计数)

2 结果分析

上述结果表明,在硬质合金中加入稀土ce能够有效地提高合金的强度、耐磨、抗冲击等性能,从而提高合金的使用寿命。

组织结构决定合金性能,从ce的加入对组织产生影响方面进行解析。

(1)ce在合金中的分布状态和作用

经金相观察,ce与钴相固溶,造成了co相的晶格畸变,从而强化了粘结相。另外,与原材料带入的有害杂质硫、氧结合成化合物,从而净化了相界面。因为硫、氧的存在阻碍了粘结相和硬质相、硬质相与硬质相的接触连接,降低了结合强度。减少硫、氧的危害,必然提高了粘结相与硬质相wc的润湿效果。另外有资料报道,稀土相还可以溶解部分其他有害杂质,同样也减低了这些有害杂质对合金的危害。这说明稀土金属在合金中能够起到净化粘结相和晶粒表面,增加粘结相与晶粒之间的润湿效果和降低有害杂质影响的作用。据报道,稀土的加入还有助于w等元素溶于黏结相,起到了“弥散强化”作用,因此,使稀土合金的抗弯强度大大的提高。

(2)稀土金属ce在在真空烧结方面的作用

从实验结果表明,在各个温度的烧结过程中,合金的晶粒度细小均匀,没有明显长大的现象,说明稀土金属能够有效的抑制合金晶粒长大,稳定烧结工艺,从而获得性能良好的合金产品。

(3)稀土金属的优化合金组织结构的作用

从金属金相图谱中看出,在400℃上下有同素异晶体转变,即高温稳定的α-co(fcc结构)固溶体转变成低温相β-co(hcp结构),α是立方体系有十二个滑移系,显朔性。β是六方晶格有三个滑移系显脆性。稀土的添加使co相的α-co为主相,稳定fcc晶体结构,有利于提高co的朔性。这一点已在应用中刀具的崩刃效果得到了充分的证明,在金相的观察中也可以看到,是抗冲击性能明显提高。

3 结论

(1)稀土元素能够提高硬质合金的物理力学性能且效果明显。

(2)稀土元素在硬质合金中可优化合金组织结构和净化相界面。

(3)稀土元素能够细化合金晶粒,稳定烧结工艺,降低烧结温度的敏感性。

以上是从宏观的性能表现和微观的晶体结构粗浅地分析了稀土元素对硬质合金的作用和影响,稀土元素在硬质合金中的作用可能并非这么简单,还有待进一步的研究和探讨。

参考 文献

[1]尤力平.稀土学报,1990(8)4.

[2]贺从讯.稀土学报,1994(12)3.

[3]冶金 工业 出版社.硬质合金的生产.