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混合稀土CeLa对WC-Ni硬质合金性能和显微结构的影响

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 熊继 沈保罗点击:
摘要:通过添加适量的混合稀土元素,可以提高WC-Ni合金性能,从而有可能获得与WC-Co合金性能相当或接近的Ni代Co合金。

1 引言

金属Co是硬质合金最常用、最理想的粘结金属,但Co为稀贵战略物资,为解决资源制约问题,国外从30年代起,就开始了全部或部份的镍、铁代钴的研究工作。我国从70年代起也开展了大量这方面的研究工作,许多硬质合金生产厂家也有Ni作粘结剂的硬质合金商品牌号出售,但真正用Co粘结的合金都存在一些问题,产品主要集中在低档或有特殊要求的合金方面。文献《Refractory Metals and Hard Materials》(难溶金属和硬材料)也系统报道了Ni、Fe、Co虽然在化学元素同期表中属同族,但由于其物理性能的一些差异,导致纯Ni或Fe作Co的代替品,其制作的合金机械性能总不如WC-Co合金。本文目的试图通过添加微量稀土元素改善和提高纯WC-Ni合金的性能,使之达到或更接近WC-Co合金的性能。

2 试验方法

2.1 原料

所用WC 粉为市售的中细颗粒WC,Ni为平均粒度2.6µm的羰基镍粉,纯度≥99.8%,稀土为市购的CeLa混合稀土,CeLa总量≥99.5%,并制成所用添加形式。

2.2 试样的制备及检测

按重量百分数为6%的Ni量进行配比,将适量的WC 粉、Ni粉连同不同添加量的CeLa混合稀土添加剂一起加入到容积为1200ml的硬质合金做的球磨桶中。然后加入酒精320ml,球料比为5:1,以Ø6mm的硬质合金球为研磨体,湿磨48小时,然后过筛、干燥、掺胶、制粒,并压成尺寸6.5mm×5.25mm×20mm的样品,再在H2保护下烧结得到试样,送各类检测。做用户使用对比试验的刀片为A118A。

采用日本JCXA-733电子探针仪对合金进行显微结构分析,德国NEOPHOT21 金相仪进行金相分析,WE-100B型仪压万能机做强度分析,日本ARK-600型硬度计做硬度检测。

在相同条件下,对添加与不加稀土添加剂的试样做了对比研究。

2.3 试验结果

1) CeLa稀土对WC-6%Ni合金性能的影响见表1。

表1 不同的量对CeLa稀土WC-6%Ni合金性能影响

2) 含稀土WC-6%Ni合金刀片同WC-6%Co合金刀片现场使用对比见表2。

表2 WC-6%Ni+0.5%CeLa合金刀片同WC-6%Co及WC-6%Ni合金刀片现场使用对比

3) 稀土对WC-6%Ni合金显微结构的影响

相同工艺条件下所获得的WC-6%Ni合金同WC-6%Ni-0.5%CeLa合金试样制成硬质合金的金相样,在金相显微镜下进行孔隙度对比和1500倍下的显微结构对比,发现含稀土的硬质合金孔隙相对少,且孔洞尺寸小(见表3)。稀土合金中WC晶粒度有细化均匀的趋势,几乎见不到纯Ni作粘结剂易出现Ni 聚集的现象。

表3 CeLa稀土添加剂对合金孔隙度尺寸的影响

用电子探针仪对合金中稀土的分布、存在形貌进行了分析,发现其以< 1µm 的球状存在于各相界处,对球状稀土作成分分析发现其杂质含量明显高于周围组织(见表4)。

表4 球状稀土的杂质含量

3 讨论

表1表明,添加一定量的稀土在不同程度上改善WC-6%Ni合金的性能,而尤以加入0.5%的CeLa效果最佳。在硬度略有上升的情况下,抗弯强度提高10%以上,密度也相应提高,其性能同WC-6%Co的相当。特别是其制成刀片的使用性能可与WC-6%Co合金刀片匹敌。已知硬质合金的强度与合金中的孔隙度、孔隙大小、杂质含量、晶界强度等有关,硬度与合金的晶粒度等相关,当合金的孔隙度低,孔隙尺寸小时,合金强度越高。杂质含量越少,存在形式越趋于弥散球状化,其强度也越高。合金的硬度随着WC晶粒细化而不同,合金的耐磨性随硬度的提高而增加,抗崩刃性随合金强度的提高而上升。

表3清楚表明,由于稀土的加入,合金的孔隙度降低,孔洞尺寸明显减小。从表4及图2可以看出稀土的加入富集了合金的杂质,且以球状均匀分布,这些都将对合金的的强度提高有益。从图1可明显发现,稀土的加入细化了WC-Ni合金的组织结构,因此合金的硬度有所上升。合金的强度和硬度都由于稀土的加入得到改善,因此WC-Ni-CeLa合金性能更接近WC-Co合金的性能。

稀土改善WC-Ni合金性能,我们可以由以下几方面来理解。

制备的稀土添加剂熔点不到1000℃,即以WC-Ni合金三元共晶熔点(~1400℃)以下就有弥散液相出现。合金提前进入液相烧结阶段,引起物质大量迁移,促进合金中的孔隙填充,增加合金的致密化程度。液相迁移改善的同时,也减少了Ni聚集的形成。

在烧结过程中,合金中的气体杂质如氧等,部分地以气体形式放出,如排出不好或不及时排出都易形成孔隙。由于稀土具有强烈的化学活泼性,很易与之形成性质稳定的氧化物,可减少气体的释放,减少孔隙形成的可能性。

合金中由于原辅材料的来源及操作不卫生,难以避免在最终产品中存在有害杂质,如S、Ca等。观察表明,杂质在合金中一般以多角状的形式分布于晶界,这些杂质尺寸较大,分散程度小,多角状的杂质表面积大,对基体的破坏作用严重。图2及图4表明,由于稀土活性大,很易与杂质元素起反应,起到了富集杂质的作用,且以很小的颗粒弥散在合金晶界处,从而改善了杂质的形成和分布,改善了合金的性能。

由于稀土的原子半径远大于Ni原子,其进入Ni晶格中造成晶格畸变大,体系能量增加大,因此一般稀土原子只能排列在不规则的界面上,而这种界面稀土在烧结过程中抑制了WC向Ni溶解析出长大过程,因此,WC晶粒得到细化,合金硬度上升。

4 结论

稀土的加入改善了WC-Ni合金显微组织结构,提高了其综合性能,弥补了由于WC-Ni合金性能与WC-Co合金相比的不足,使WC-Ni-CeLa合金的性能可与WC-Co合金相当或接近。

本文作者:自贡硬质合金有限责任公司 熊继 四川大学 沈保罗 (end)

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