添加剂对硬质合金性能的影响

相的强度 。 总之 ,耐磨用的合金在整个硬质合金生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中所
占比重不断增大 ,添加剂的作用更加显得重要 。本 文综述了向硬质合金中添加稀土元素 、金属和金属 碳化物对硬质合金性能的影响。
1 添加稀土元素对合金性能的影响
稀土元素是门捷列夫元素周期表第三副族中原 子序数从 57～71 的 15 个镧系元素 ,加上与其电子 结构和化学性持相近的钪和钇 ,共计 17 个元素 。稀 土被人们称为新材料的“宝库”,是国内外科学家 ,尤 其是材料专家最关注的一组元素[3] 。
第 15 卷 第 6 期
粉末冶金工业
Vol . 15 No . 6
2005 年 12 月 POWD ER METALL URGY I NDUSTRY Dec. 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)
2 添加金属对硬质合金性能的影响
常用的金属添 加剂有铬 、钼 、钨 、钽 、铌、铜 、铝 等。其中除了铜和铝以外 ,均可形成碳化物 。因此 , 在添加时必须考虑合金含碳量的变化 。 211 添加贵金属
添加了贵金属 Ru、Rh、Pd、Re、Os 、Ir 的烧结硬 质合金制品具有很高的耐磨性和耐腐蚀性 ,可以在 耐腐蚀和磨蚀性介质中使用 。
表 2 金属添加剂对合金性能的影响 [25 ]
添加剂 W (约 4 %) Mo (约 115 %) Cr(约 1 %) Ta (约 1 %) Al (约 013 %) Cu (约 1 %)
抗弯强度 无影响 无影响 下降 无影响 升高 升高
硬度 升高 升高 升高 升高 下降 下降
高温性能 高温强度和硬度升高
文献[ 23 ]将纯度为 98 %～99 %的工业 Li2CO3 添加到合金中 ,得到的硬质合金 ,平均晶粒较粗 ,晶 粒棱角整齐清晰 ,且抗弯强度高 。 214 添加铝
文献[ 24 ]探讨了添加少量 Al 对 WC - 13 %Fe/ Co/ Ni 硬质合金性能和组织的影响 ,加入少量铝可 以细化 WC 晶粒 ,在合金的硬度提高 2～3 HRA 的 同时 ,可使合金的抗弯强度提高 100～200 M Pa。加 Al 量超过 018 %后 ,合金的抗弯强度下降 ,这是由 于 Al 在相界面富集马氏体与γ相相对数量的变化 等原因造成的。表 2 示出金属添加剂对合金性能的 影响。
Abstract : The effect of addi ng rare eart h elements ,met als ,met al carbi des into cemented carbide , are summarized. It is poi nted out t hat t he performance of cemented carbide i s i mproved wit h addi2 tion of rare eart h element s This ki nd of cemented carbide is quite promisi ng. Key wor ds :cement ed carbide ;additi ve ;rare eart h element ;metal ; met al carbide
同上 同上 同上 同上 下降
还能提高抗弯强度 。添加 TaC 能提高 WC - TiC - Co 合金的耐蚀性和耐磨性 。在 800 ℃下 ,相比 WC - TiC - Co 系而言 ,耐蚀性可提高三倍 。同样添加 TaC 对 合金常温下的物理机械性能的影响并不明显 ,而在高 温下 ,几乎 所有的 物理机械 性能都 比较好 。Kazuki Okada 等[28]还发现添加 VC 能对晶粒的长大有抑制 作用 , 这与 V 沿 WC 和 Co 界 面的偏析有关 。贾左 诚[29]也提出添加了 VC、Cr2C3 等控制 WC 晶粒长大 的抑制剂能细化晶粒 ,从而提高硬质合金的硬度、耐 磨性等机械性能 ;但是 VC 抑制 WC 晶粒长大的效果 取决于 VC/ Co 之比 ,即在 VC/ Co 之比一定时 ,高 Co 合金相对有利于抑制 WC 晶粒长大。
A·Φ 利索夫斯基[21]分别向 WC - Co 硬质合金 中添加了适量 Ru、Re 和 Os ,结果表明 ,在 WC - Co 烧结硬质合金中 ,贵金属不会生成碳化物相 ,并以固 熔体形式存在于粘结金属中。Ru 、Re 和 Os 使硬质 合金粘结相形成亚结构 。用贵金属合金化烧结硬质 合金能提高粘结相显微硬度和弹性模量 ,同时从整 体上提高烧结硬质合金的抗弯强度 、抗压强度极限 和屈服点 。 212 添加铜
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 中图分类号 : TF123172 文献标识码 : A 文章编号 :1006 - 6543 (2005) 06 - 0022 - 04
大量文献 报道了稀土 对硬质合金 中 WC 晶粒 度的影响 ,但至今没有一个统一的说法 。文献 [9 ]认 为不管加入何种稀土元素 ,合金中碳化物的晶粒比 未加者细化 ,并随着加入量的增加 ,细化更明显 ,且 加稀土元素合金的晶粒度比未加者显得均匀 ; 孙丽 虹[1 8]的研究表明添加微量稀土元素不影响碳化钨 和粘结相的粒度 。熊继等[1 9 ]通过对 WC - Co - Ti C
在硬质合金中添加稀土元素 ,从上世纪 60 年代 起 ,国外相继出现一些 专利报道[ 4～6] ,但国际 市场 上尚未见到商品 。国内早在 60～70 年代也曾开展 过这方面的研究 ,到“七五”、 “八五”国内在研究稀土 加入方式 ,添加形态和稀土的作用机理等方面都取
收稿日期 : 2005 - 05 - 12 作者简介 : 杨世莹 (1979 - ) ,女(汉) ,云南永胜县人 ,在读硕士研究生 ,主要从事硬质合金材料和材料表面处理方面的研究 。
在硬质合金中加入某些添加剂是提高合金性能 的有效途径之一[1 ] 。添 加剂对硬质 合金性能的 影 响 ,在很多方面已被众多科学工作者所揭示 ,如添加 剂可提高合金的耐磨性 、抗冲击性、高温性能 、切削 性能等 。
向硬质合金中加入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 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 ; (2) 改变 合金的相成分 ,从而 改善合金的结构 和性 能 。在硬质合金中添加 Cr3C2 、VC 可提高合金的切 削性能 ,在合金中添加少量的 TaC 可提高合金的抗 氧化性能 , 显著提高合金 的耐磨性 , 如[2] 美国亚当 斯碳化物公司的 HD - 20 T、HD - 25 T 和西德克虏 伯公司的 GT20 、GT30等合金均添加 3 % TaC ; (3 ) 提 高粘结相的性能 。在合金中添加少量的难熔金属 , 如 W、Mo 、V 、Nb、Ta 等 , 能改善粘结相对碳化物相 的润湿性 ;在 WC - Co 合金中添加 W ,可提高粘结
- TaC 加稀土和 WC - Co 加稀土合金的 WC 晶粒 度及组织结构的大量观察 ,认为稀土对硬质合金的 WC 晶粒度影响由两个细化作用和一个长大作用共 同决定。表 1 示出稀土合金和未加稀土的合金性能 比较 。
表 1 稀土合金和未加稀土的合金性能比较 [20 ]
牌号
Y G8R YG8 Y T14R YT14 YW1R YW1
硬度 ( H RA) 9011 8916 9110 9018 9215 9210
抗弯强度 / GPa 21563 21292 11726 11479 11559 11379
断裂韧性 / M Pa·m - 3
15148 12176
密度 / g·cm - 3 14177 14170 11159 11153 13128 13127
资料显示[13～ 17 ] : 在 合金中添加 一定量的稀 土 元素能提高合金的抗弯强度 。汪仕元[13 ]认为由于 加入稀土氧化物后 ,Ni 因稀土氧化物的弥散强化而 使合金的强度提高 ,当稀土含量为粘结金属含量的 112 %～116 %时 ,合金抗弯强度达到最大值 ; 梁福 起[14]的研究认 为 ,当 加入相当 于粘结 剂质量 分数 0125 %～1100 % 的混合稀土氧化物后 , WC - 8 % Co 合 金的 抗 弯强 度 有 一定 的 提高 , 当加 入 量 为 0125 %～0150 %时 ,抗弯强度可提高 1115 % ,但 过量加入稀土将导致抗弯强度下降 。 113 晶粒尺寸
总之 ,添加碳化物能有效提高硬质合金的硬度 和高温下的物理机械性能 ,对常温下的物理机械性 能没太大影响见表 3 。
EFF ECT OF ADD ITIV E OF CEM EN TED CARB IDE
YANG Shi - ying , HE Zi - ka i , HUANG xin ( Faculty of Materials and Metal1 , Kunming Univ1of Sci1and Tec h. , Kunming 650093 , China)
在矿山用的合金中加入少量的铜 ,既可提高合 金的强度 ,又可提高合金的冲击韧性 。
北京科技大学黄 石等[22] 研究了 添加铜对 WC - 13 %Fe/ Co/ Ni 硬质合金性能与组织的影响 。研 究结果表明 ,在 WC - 13 %Fe/ Co/ Ni 合金中加入少 量铜后 ,合金硬度 略有降低 , 但抗弯强 度有较大提 高 ,当铜的加入量为 018 %左右时 ,合金性能最佳。 而且铜还有细化和球化 WC 晶粒的作用 。 213 添加碱金属
碱金属能促使 WC 晶粒长大 ,但其作用受到其 他因素 的限制 。譬 如 ,当 硅存 在时 , 钠反 而使 WC
· 2 4 · 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 细。
第 6 期 杨世莹等 :添加剂对硬质合金性能的影响
·23 ·
得了可喜的成绩 ,并已有一些添加稀土元素的新牌 号合金投放市场 。
下面分别讨论添加稀土元素对硬质合金硬度、 抗弯强度和晶粒尺寸的影响。 111 硬 度
添加稀土对合金的硬度是否有明显的影响 ,是 一个令人关注的问题 。罗重麟[7] 对加入混合稀土 、 铈 、钕 、钇 、镧的硬质合金做 了研究 ,发现钇 和镧对 WC - TiC - Co 硬质合金的影响不明显 ,但不同的稀 土元素有不同的影响趋势 ;孙景[8 ]则认为添加少量 稀土元素使 WC - 20( Fe/ Co/ Ni) 合金的硬度有一定 的提高 ,且硬度随稀土含量的增加而增加; 李归 华[9 ]以 YT14 、YT15 、YG6 、813 等作 为试验合 金 ,分 别将 Nd、Ce、La 、Y、Dy 及混合稀土加入钴中进行实 验 ,对于 YT15加入混合稀土 ,当含量少时其硬度基 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 未加者 ,平均提高 013 HRA 单位。对于 YG6 合金 , 加入混合稀土 ,当含量达 1 %时 ,硬度比未加者有不 同程度的下降 ;而 YT14合金 ,不管加入 La 、Y或 Dy , 硬度基本保持不变或略有提高。对于 813 合金 ,加 入稀土后 ,硬度比未加者提高 013HRA 单位 。分析 文献结果表明[10～12 ] , 添加 稀土 元素 对硬 质合 金的 硬度无明显影响 。 112 抗弯强度