添加剂对硬质合金性能的影响

第15卷第6期粉末冶金工业Vol.15 No.62005年12月POWDER METALLURGY INDUSTRYDec. 2005添加剂对硬质合金性能的影响杨世莹,贺子凯,黄鑫(昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南昆明650093)摘要:本文综述了向硬质合金中加入稀土元素、金属和金属碳化物对硬质合金性能的影响。指出添加稀土元素的硬质合金由于性能好,使用范围广,有着很好的发展和应用前景。关键词:硬质合金;添加剂;稀土;金属;金属碳化物中圈分类号:TF123.72文献标识码:A文章编号:1006 - 6543(2005 )06 - 0022 - 04EFFECT OF ADDITIVE OF CEMENTED CARBIDEYANG Shi - ying,HE zi- kai,HUANG xin(Faculty of Materials and Metal. , Kunming Univ.of Sxi. and Tech. ,Kunmning 650093 ,China)Abstract: The effect of adding rare earth elements, metals , metal carbidcs into cemented carbide,are summarized. It is pointed out that the performance of cemented carbide is improved with addi-tion of rare earth elements This kind of cemented carbide is quite promising.Key words: cemented carbidc; additive ;rare earth element;metal;metal carbide在硬质合金中加人某些添加剂是提高合金性能相的强度。的有效途径之_i1]。添加剂对硬质合金性能的影总之,耐磨用的合金在整个硬质合金生产中所响,在很多方面已被众多科学工作者所揭示,如添加占比重不断增大,添加剂的作用更加显得重要。本剂可提高合金的耐磨性、抗冲击性、高温性能、切削文综述了向硬质合金中添加稀土元素、金属和金属性能等。碳化物对硬质合金性能的影响。向硬质合金中加人的添加剂主要有两种:一是难熔金属碳化物;另一种是金属添加剂。添加剂的1添加稀土元素对合金性能的影响作用是:(1)降低合金对烧结温度波动的敏感性和对碳量变化的敏感性,阻止碳化物晶粒的不均匀长大;稀土元素是门捷列夫元素周期表第三副族中原(2)改变合金的相成分,从而改善合金的结构和性子序数从57~71 的15个镧系元素,加上与其电子能。在硬质合金中添加CrgC2、VC可提高合金的切.结构和化学性持相近的钪和钇,共计17个元素。稀削性能,在合金中添加少量的TaC可提高合金的抗土被人们称为新材料的“宝库”,是国内外科学家,尤氧化性能,显著提高合金的耐磨性,如[2]美国亚当其是材料专家最关注的一组元素[3]。斯碳化物公司的HD- 20T、HD- 25T和西德克虏在硬质合金中添加稀土元素,从上世纪60年代伯公司的GT20 ,GT3o等合金均添加3 % TaC;(3)提起,国外相继出现一些专利报道[4-6],但国际市场高粘结相的性能。在合金中添加少量的难熔金属,上尚未见到商品。国内早在60~ 70年代也曾开展如W、Mo、V、Nb.Ta等,能改善粘结相对碳化物相这I中国煤化士五' '国内在研究稀土的润湿性;在WC-Co合金中添加W,可提高粘结加YHCNMHG'用机理等方面都取收稿日期:2005-05-12作者简介:杨世堂(1979 - ),女(汉),云南永胜县人，在读硕七研究生,主要从事硬质合金材料和材料表面处现方面的研究。第6期杨世莹等:舔加剂对硬质合金性能的影响得了可喜的成绩,并已有一些添加稀土元素的新牌-TaC加稀土和WC-Co加稀土合金的WC晶粒号合金投放市场。度及组织结构的大量观察,认为稀土对硬质合金的.下面分别讨论添加稀土元素对硬质合金硬度、WC晶粒度影响由两个细化作用和-一个长大作用共抗弯强度和晶粒尺寸的影响。同决定。表1示出稀土合金和未加稀土的合金性能1.1硬度比较。添加稀土对合金的硬度是否有明显的影响,是表1稀土合金和未加稀土的合金性能比较[2]- -个令人关注的问题。罗重麟[7]对加人混合稀土、硬度抗弯强度断裂韧性密度牌号铈、钕、钇、镧的硬质合金做了研究,发现钇和镧对: HRA)/MPa.m/g* cm~WC-TiC-Co硬质合金的影响不明显,但不同的稀YG8R90.12.56315.4814.77YG889.62.29212.7614.70土元素有不同的影响趋势;孙景[8]则认为添加少量YT14R91.01.72611.59稀土元素使WC - 20(Fe/Co/Ni)合金的硬度有一定YT14. 90.81.47911.53的提高，且硬度随稀土含量的增加而增加;李归YW1R92.51.55913.2892.01.37913.27华[9]以YTi4、 YT1s、YG6、813等作为试验合金,分别将Nd、Ce、La.Y,Dy及混合稀土加人钴中进行实验,对于YTs加入混合稀土,当含量少时其硬度基2添加金属对硬质合金性能的影响本保持不变,当含量达1%时其硬度则略高于未加者;而加入Nd或Ce,不管含量多少其硬度均略高于常用的金属添加剂有铬、钼、钨、钽、铌、铜、铝未加者,平均提高0.3HRA单位。对于YG,合金，等。其中除了铜和铝以外,均可形成碳化物。因此,加人混合稀土,当含量达1 %时,硬度比未加者有不在添加时必须考虑合金含碳量的变化。同程度的下降;而YT1合金,不管加人La.Y或Dy,2.1添加贵金 属硬度基本保持不变或略有提高。对于813合金,加添加了贵金属Ru、Rh、Pd、Re、Os、Ir的烧结硬人稀土后,硬度比未加者提高0.3HRA单位。分析质合金制品具有很高的耐磨性和耐腐蚀性,可以在文献结果表明[10~12],添加稀土元素对硬质合金的耐腐蚀和磨蚀性介质中使用。A.φ利索夫斯基[21]分别向WC- Co硬质合金硬度无明显影响。1.2 抗弯强度中添加了适量Ru、Re和Os,结果表明,在WC-Co资料显示[13~1)]:在合金中添加一-定量的稀土烧结硬质合金中,贵金属不会生成碳化物相,并以固元素能提高合金的抗弯强度。汪仕元[13]认为 由于熔体形式存在于粘结金属中。Ru,Re 和Os使硬质加入稀土氧化物后,Ni因稀土氧化物的弥散强化而合金粘结相形成亚结构。用贵金属合金化烧结硬质使合金的强度提高,当稀土含量为粘结金属含量的合金能提高粘结相显微硬度和弹性模量,同时从整1.2 %~1.6 %时,合金抗弯强度达到最大值;梁福体.上提高烧结硬质合金的抗弯强度.抗压强度极限起[41的研究认为,当加人相当于粘结剂质量分数和屈服点。0.25 %~1.00 %的混合稀土氧化物后,WC-8 %2.2添加铜Co合金的抗弯强度有一定的提高,当加人量为在矿山用的合金中加入少量的铜，既可提高合0.25 %~0.50 %时,抗弯强度可提高11.5 %,但金 的强度,又可提高合金的冲击韧性。过量加入稀土将导致抗弯强度下降。北京科技大学黄石等(22]研究了添加铜对wC1.3 晶粒尺寸-13%Fe/Co/Ni硬质合金性能与组织的影响。研大量文献报道了稀土对硬质合金中WC晶粒究结果表明,在WC- 13 %Fe/Co/Ni合金中加入少度的影响，但至今没有一一个统-的说法。文献[9]认量铜后 ,合金硬度略有降低,但抗弯强度有较大提为不管加入何种稀土元素,合金中碳化物的晶粒比高,当铜的加入量为0.8%左右时,合金性能最佳。未加者细化,并随着加入量的增加,细化更明显,且而且钊中国煤化工的作用。加稀土元素合金的晶粒度比未加者显得均匀;孙丽2.3THCNMHG虹[18]的研究表明添加微量稀土元素不影响碳化钨亚加化收出在长只，但其作用受到其和粘结相的粒度。熊继等[9]通过对WC-Co-TiC他因素 的限制。譬如,当硅存在时,钠反而使WC粉末冶金工业第15卷晶粒变细;而若碳化过程有钠存在,WC晶粒将变还能提高抗弯强度。添加TaC能提高WC- TC- Co细。合金的耐蚀性和耐磨性。在800 C下,相比WC- TIC文献[23 ]将纯度为98 % ~99 %的工业Li2CO3-Co系而言,耐蚀性可提高三倍。同样添加TaC对添加到合金中,得到的硬质合金,平均晶粒较粗,晶合金常温下的物理机械性能的影响并不明显,而在高粒棱角整齐清晰,且抗弯强度高。.温下,几乎所有的物理机械性能都比较好。Kazuki2.4 添加铝Okada等[28]还发现添加VC能对晶粒的长大有抑制文献[24]探讨了添加少量A1对WC- 13 %Fe/作用,这与V沿WC和Co界面的偏析有关。贾左Co/Ni硬质合金性能和组织的影响,加人少量铝可诚[29]也提出舔加了VC、CrC3等控制wC晶粒长大以细化WC晶粒,在合金的硬度提高2~3 HRA的的抑制剂能细化晶粒,从而提高硬质合金的硬度、耐同时,可使合金的抗弯强度提高100~200MPa。加磨性等机械性能;但是VC抑制WC晶粒长大的效果Al量超过0.8 %后,合金的抗弯强度下降,这是由取决于VC/Co之比，即在VC/Co之比一定时,高Co于Al在相界面富集马氏体与Y相相对数量的变化合金相对有利于抑制WC晶粒长大。等原因造成的。表2示出金属添加剂对合金性能的总之,添加碳化物能有效提高硬质合金的硬度影响。和高温下的物理机械性能,对常温下的物理机械性表2金属添加剂对合金 性能的影响(25]能没太大影响见表3。恭加剂抗弯强度硬度商温性能表3金属碳化物对合金性能的影响[30]W(约4 %)无影响升商高温强度和硬度升高Mo(约1.5 %)同上D试样HRACr(约1 %)下降升商/g.cm-3N.mm 2Ta(约1 %)升高WC- 10Co14.4089.41 740Al(约0.3 %)WC- 2TaC- 10Co14.4591.31 682Cu(约1 %)下降.WC- 0.44CnC2 - 2TaC- 10Co 14.5191.81 6103添加碳化物对合金性能的影响4结语最常用的磯化物添加剂除碳化钽(铌)还有碳化各种添加剂对硬质合金的性能均有一定的影铬(Cr3C2) .碳化钒(VC)、碳化钼(Mo2C或MoC)、响,添加稀土对合金的硬度影响不大;添加贵金属可碳化钴碳化铪等。虽然碳化铪添加剂对硬质合金从整体上提高合金的抗弯强度、抗压强度和屈服点;性能的良好影响已被证实。但由于铪的稀缺和昂Cu可提高合金的冲击韧性;碱金属对WC晶粒有细贵,因此,在工业生产的硬质合金中还没有得到应化作用;碳化物可提高硬质合金的耐磨性及耐热性,用。有效提高合金的高温物理机械性能。文献[26]的研究表明,添加TaC.NbC、Cr;C等经分析大量资料,作者认为，通过添加稀土元素添加剂改善了WC-Co硬质合金的耐热性及耐磨改善硬质合金性能这一方法是值得推广的,主要原性。添加剂适量时能提高合金的高温强度、高温硬因有以下几点:’度,但在不同程度上会降低合金的室温强度,使合金(1)我国是稀土大国,有着丰富的稀土资源,稀变脆。因此,添加剂的加入量必须控制在- -定的范土硬质合金的研制在世界上领先，很多国家不具备围内。例如对WC-6 %Co及WC- 10 %Co合金这一条件;而言,添加CrC3均降低了合金的室温抗弯强度。(2)稀土对硬质合金性能有明显的改善作用,大.当CrC3加量在0.3 %~0.5 %(占Co含量的重量量研究表明,添加稀土能使硬质合金的强度、韧性有百分数)时,不会明显影响高Co合金的室温抗弯强较大中国煤煤化工;“硬质合金有着较广度;但对低Co合金而言,其室温抗弯强度下降明的应显。添加TaC、NbC也有类似性质。TomaVasile4YHCNM HG用于刀具材料、矿等[27)认为添加(Ta, Nb)C碳化物不但能提高硬度,山工具模具、顶锤等方面,有着极好的发展前景。杨世莹等:添加剂对硬质合金性能的影响●25国钨业,999,14(5 - 6):186 - 194.参考文献[17]潘起芳.稀土氧化物对WC-Co硬质合金性能的影响[1] 株洲硬质合金厂,硬质合金的生产[M].北京:冶金工[J].稀有金属材料与工程,1993,22(4):35 -41.业出版社, 1974.[18]孙丽虹等. 微量稀土元素添加剂对YT14硬质合金粒[2]国外硬质合金 编写组.国外硬质合金[M].北京:冶金度的影响[J].中国稀土学报,1996,14(1):56 - 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