稀土金剛石增強(qiáng)wc-co-5%ni硬質(zhì)合金復(fù)合齒的制備及性能研究

稀土金剛石增強(qiáng)wc-co-5%ni硬質(zhì)合金復(fù)合齒的制備及性能研究

wc-co僵硬具有強(qiáng)度強(qiáng)、硬度高、斷裂帶大、抗壓強(qiáng)等特點(diǎn)。在機(jī)械、冶金、采礦、精密儀器、軍事和其他行業(yè)發(fā)揮著非常重要的作用。但鈷作為一種戰(zhàn)略物資,我國(guó)大部分需要進(jìn)口,這使得鈷類硬質(zhì)合金的價(jià)格偏高,其應(yīng)用受到了一定的限制。長(zhǎng)期以來(lái),世界各國(guó)硬質(zhì)合金研究者致力于研究采用較廉價(jià)的金屬和合金取代鈷作為硬質(zhì)合金粘結(jié)相。其中,以鐵鎳代鈷的研究較多,但這些工作絕大部分屬于理論試驗(yàn)研究,并無(wú)大量開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。在現(xiàn)有材料中,金剛石具有最強(qiáng)的耐磨性和論文聯(lián)系人:史曉亮,男,博士;電話O);E-mail:sxl@研磨能力。由于其具有極高的硬度和優(yōu)良的機(jī)械性能,金剛石工具在石油鉆井、地質(zhì)勘探、石材加工、建筑裝潢等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用,但金剛石的熱穩(wěn)定性和抗沖擊韌性較弱,嚴(yán)重阻礙了其在鑿巖工具中的應(yīng)用。若能將金剛石與硬質(zhì)合金有機(jī)地結(jié)合起來(lái),將大大提高金剛石硬質(zhì)合金復(fù)合材料的綜合性能。稀土可以提高硬質(zhì)合金的機(jī)械性能,在改善材料的性質(zhì)方面具有廣泛的應(yīng)用。但是,若在合金中直接加入稀土,則在球磨混料等工藝過(guò)程中,稀土非常容易氧化,同時(shí)由于添加量很少,就使得稀土在混料中的均勻彌散性難以保證,使工藝的可重復(fù)性及穩(wěn)定性難以保證。為解決稀土元素在混料中易出現(xiàn)分散不均勻和氧化等問(wèn)題,采用共沉淀法制備成稀土Ce的中間合金再往硬質(zhì)合金中添加的方法,保證稀土元素在硬質(zhì)合金中彌散均勻,使材料獲得最佳的綜合性能。研究結(jié)果表明,采用適當(dāng)?shù)南⊥撂砑庸に?可使金剛石超硬復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度提高10%以上[11,12,13,14,15,16,17]。在此,作者采用共沉淀法制備出Ni-Ce復(fù)合粉末,采用熱壓活化燒結(jié)制備出金剛石增強(qiáng)稀土WC-10%Co-5%Ni硬質(zhì)合金復(fù)合齒,并與球磨摻雜稀土WC-10%Co-4.7%Ni-0.3%Ce硬質(zhì)合金進(jìn)行對(duì)比,分析共沉淀添加稀土Ce對(duì)金剛石增強(qiáng)WC-10%Co-5%Ni硬質(zhì)合金復(fù)合齒性能的影響。1實(shí)驗(yàn)1.1測(cè)量方法及設(shè)備實(shí)驗(yàn)原料有:粉末冶金廠生產(chǎn)的普通WC(粒徑約為38μm)、Co(粒徑約為50μm)、Ni(粒徑約為50μm)粉、稀土Ce、紅磷及真空蒸鍍W的金剛石(粒徑約為250μm)。設(shè)備有:KGPS100-1型中頻感應(yīng)燒結(jié)爐,加熱功率為100kW,中頻頻率為1kHz;非接觸式光纖測(cè)溫儀,測(cè)量范圍為600~1200℃;YH41-40C型單臂壓力機(jī),噸位為40t。1.2球磨、干燥、干燥將基體粉料與己烷放入硬質(zhì)合金球磨罐,球料質(zhì)量比為8∶1,在球磨機(jī)上球磨48h,球磨后在干燥箱中于90℃真空干燥。燒結(jié)工藝是:燒結(jié)溫度為1060℃,保溫時(shí)間為3~4min,燒結(jié)壓力為50~60MPa。1.3復(fù)合齒的測(cè)試方法磨耗比為標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金齒失重與金剛石增強(qiáng)硬質(zhì)合金復(fù)合齒失重之比。標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金齒為國(guó)內(nèi)某硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的Q1422和WC-8Co硬質(zhì)合金球齒。復(fù)合齒基體的斷裂強(qiáng)度采用MTS810陶瓷測(cè)試系統(tǒng)按GB/T3851—1983標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試,試樣尺寸為20.00m×6.50m×5.25m。洛氏硬度采用HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)按GB/T3849—1983標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試;密度采用METTLERTOLEDOAB-104N密度測(cè)試儀按GB/T3850—1983標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。采用華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料試驗(yàn)室BUEHLER公司生產(chǎn)的PHOENIX4000型研磨機(jī)、拋光機(jī)進(jìn)行磨耗比測(cè)試,測(cè)出復(fù)合齒試樣相對(duì)于硬質(zhì)合金齒Q1422的相對(duì)耐磨性,測(cè)試條件是:回轉(zhuǎn)速度為200r/min,壓力為0.26MPa,磨耗時(shí)間為10min。復(fù)合齒的抗沖擊性能采用單齒抗沖擊儀測(cè)試。采用JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒結(jié)試樣的斷口,分析微觀組織結(jié)構(gòu)。2結(jié)果與分析2.1tih2還原對(duì)ni-ce共沉淀粉的穩(wěn)定效果將氯化鎳與氯化稀土按一定的比例制成混合溶液,用草酸鹽或碳酸鹽作沉淀劑,可得到均勻分散的稀土和鎳的草酸鹽。這些沉淀物由于溶解度相近而具有共沉淀性。沉淀時(shí)發(fā)生以下反應(yīng):Ni2++C2O2?442-=NiC2O4↓(1)2Ce3++3C2O2?442-=Ce2(C2O4)3↓(2)共沉淀物經(jīng)過(guò)濾、洗滌等將酸根離子、鹽離子去除,然后進(jìn)行干燥、煅燒、氫還原,得到鎳和稀土(稀土活性氧化物)的混合物。共沉淀過(guò)程中,用TiH2粉作還原劑進(jìn)行還原處理,主要目的是還原出部分稀土金屬Ce,將還原反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通入飽和的NaOH溶液中處理,避免污染環(huán)境。未用TiH2還原的Ni-Ce共沉淀粉和用TiH2還原的Ni-Ce共沉淀粉的SEM形貌如圖1和圖2所示?？梢?jiàn),未用TiH2還原的Ni-Ce共沉淀粉存在明顯的團(tuán)簇現(xiàn)象,這將降低組織活性而不利于粉末燒結(jié);用TiH2還原的Ni-Ce共沉淀粉,團(tuán)簇現(xiàn)象減少,保證了共沉淀粉在混料球磨過(guò)程中分散均勻。圖中不規(guī)則粒狀為Ti的化合物,粒徑約為10μm。引入微量Ti可以消除復(fù)合粉末中部分的游離碳,同時(shí)生成TiC晶粒生長(zhǎng)抑制劑來(lái)抑制晶粒生長(zhǎng)。用TiH2還原處理得到的Ni-Ce共沉淀粉的X射線衍射圖譜如圖3所示?？梢?jiàn),在粉末的X衍射曲線中,存在Ce衍射峰和Ni衍射峰。2.2添加稀土復(fù)合粉末對(duì)燒結(jié)體性能的影響球磨混料和添加共沉淀Ni-Ce復(fù)合粉末2種添加方式制得的燒結(jié)體的斷口形貌如圖4所示。圖4(a)和4(b)所示為球磨添加0.3%Ce的燒結(jié)體的斷口形貌,可以看出,燒結(jié)體的局部晶粒得到了明顯細(xì)化、球化,而其他部分則存在著晶粒粗化的現(xiàn)象,并且燒結(jié)體斷裂的路徑不太曲折。這主要是由于稀土Ce的添加量很少,在球磨添加過(guò)程中很難保證其分散均勻,存在稀土Ce的部位,晶粒得到了細(xì)化,而不存在稀土Ce的部位,晶粒得不到細(xì)化,造成組織結(jié)構(gòu)不均勻,使燒結(jié)的性能降低。圖4(c)和4(d)所示為添加Ni-Ce共沉淀復(fù)合粉末的燒結(jié)體的斷口形貌,由于稀土Ce在燒結(jié)體中的分布均勻,使燒結(jié)體的組織均勻,其平均晶粒度明顯小于球磨添加稀土的燒結(jié)體的平均晶粒度。在燒結(jié)過(guò)程中,隨著溫度的升高,晶粒逐漸長(zhǎng)大,晶粒的比表面積反而減小,從而晶粒與晶粒之間的接觸面也減小。Ni-Ce共沉淀復(fù)合粉末中稀土Ce以及還原過(guò)程中產(chǎn)生的TiC晶粒阻止了晶粒的過(guò)分長(zhǎng)大,增大了晶粒之間的接觸面積,燒結(jié)體斷裂的路徑加長(zhǎng),從而阻止燒結(jié)體發(fā)生斷裂。同時(shí),球磨添加0.3%Ce的燒結(jié)體中孔隙度較高,大大影響燒結(jié)體的性能。由于球磨添加0.3%Ce不能保證其均勻分散,局部過(guò)多的稀土Ce在WC/WC界面產(chǎn)生偏析,從而降低了燒結(jié)體的強(qiáng)度。分別采用球磨混料和添加共沉淀Ni-Ce復(fù)合粉末添加稀土Ce制得的燒結(jié)體性能如表1所示?？梢?jiàn),添加Ni-Ce共沉淀復(fù)合粉末的燒結(jié)體的各項(xiàng)參數(shù)均明顯高于球磨混料方式添加Ce的燒結(jié)體的對(duì)應(yīng)參數(shù)。材料的硬度與材料的平均晶粒度有密切的關(guān)系,平均晶粒度越細(xì),其洛氏硬度越高。而且,在材料的斷裂過(guò)程中,晶粒越小,斷裂的路徑越長(zhǎng),阻止材料發(fā)生斷裂。材料的抗彎強(qiáng)度主要取決于晶粒的大小和晶粒之間的接觸面積,故添加Ni-Ce共沉淀復(fù)合粉末的燒結(jié)體的斷裂強(qiáng)度較高。稀土Ce分散均勻,能有效地與基體合金元素作用而形成密度較高且分布均勻的各種位錯(cuò)及較大尺寸的位錯(cuò)環(huán),使其他金屬元素更易與之形成固溶體或微合金化合物,起到固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化及相應(yīng)的催化活化作用。稀土化合物富集于界面并吸附Si和Ca等夾雜、減少雜質(zhì)在基體金屬中的溶解度,降低了界面能量而強(qiáng)化了組織和晶粒界面,提高了與界面有關(guān)的性能,如抗彎強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性、耐磨性,提高了再結(jié)晶溫度,抑制了晶粒長(zhǎng)大,使燒結(jié)體組織更均勻、細(xì)小。以Ni-Ce中間合金方式添加Ce制成的金剛石增強(qiáng)硬質(zhì)合金復(fù)合齒的性能完全滿足潛孔錘鉆頭沖擊鑿巖的需要,從而可以用于解決傳統(tǒng)超硬材料抗沖擊性能低的問(wèn)題,也可用于礦床勘探鉆探、水文工程地質(zhì)勘探和煤田、油氣田鉆探時(shí)堆積的卵礫石層等特殊地層