稀土對WC基鋼結硬質合金密度和性能影響

袁德林，張金祥，張帆，肖穎奕，普建，文小強

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.江西省鎢與稀土功能合金材料工程實驗室，江西 贛州 341000）

鋼結硬質合金具備硬質合金和鋼兩種材料優點，和鋼鐵材料相比，鋼結硬質合金在硬度、耐磨性、彈性模量和抗壓強度等方面具有優勢；而和硬質合金相比，其又在抗彎強度、沖擊韌性、可熱處理性等方面性能優異[1-2]。因此，鋼結硬質合金在模具和切削刀具領域已經部分替代硬質合金和模具鋼，此外，其作為耐磨零件在機械、建筑、采礦等領域中應用也逐漸增加[3-4]。

目前有較多學者開展了關于稀土元素對各類硬質合金的組織性能影響方面的研究，絕大部分結果均表明添加稀土元素能夠有效提高硬質合金的性能[5-7]。但是由于單質稀土化學活性高，容易被氧化，難以應用到規模化的工業實際生產中。此外大部分稀土添加方式采用球磨混料，難免產生稀土的偏聚，因此，本文采用氣霧化法制備稀土摻雜高速鋼預合金粉末作為鋼結硬質合金的粘結相，制備了摻雜稀土的WC基鋼結硬質合金。

1 實驗

1.1 實驗原料

采用WC粉、稀土摻雜M3高速鋼預合金粉、碳粉作為原材料。使用PEG作為成形劑。原料純度和粒度等信息見表1。

表1 原料信息表

1.2 實驗方法

圖1 燒結工藝曲線圖

圖2 樣品金相圖

以無水乙醇作為濕磨介質，采用行星球磨機混料，并在硬質合金球磨罐中充入氬氣，采用硬質合金磨球，球料比為5：1，球磨轉速為200r/min，球磨時間為48h，經65℃真空干燥后過篩，獲得待壓料。將待壓料進行冷等靜壓成形，壓制壓力為240MPa，保壓時間為5min，獲得壓坯。將壓坯放入真空碳管爐中進行真空燒結，燒結溫度為1250℃。表2所示為合金成分配比，圖1所示為合金燒結工藝曲線。

表2 合金成分表

1.3 性能測試

將燒結后獲得的試樣利用線切割機切割成5mm×5mm×55mm和5.25mm×6.5mm×20mm的試樣條以便測試抗彎強度和沖擊韌性，采用阿基米德法測定試樣密度，采用LVO-18掃描電鏡觀察試樣的組織，采用數顯洛氏硬度計FR-3E測試合金硬度，采用力學萬能試驗機測試合金抗彎強度，采用150J沖擊試驗機測試合金沖擊韌性。

2 分析和討論

2.1 添加稀土元素對鋼結硬質合金密度及微觀組織的影響

表3是各試樣的密度。可以看出，添加了稀土元素的鋼結硬質合金均比未添加稀土的合金密度有了明顯的提高，添加Ce元素與Y元素相比，合金密度增加幅度較大。

表3 合金密度表

圖2為試樣的金相背散射電子顯微結構照片。從圖中可以看出采用未添加稀土的M3高速鋼粉制備的樣品有較多的孔隙，而采用添加稀土的M3高速鋼粉制備的樣品孔隙相對較少，其中添加了Ce的樣品孔隙最少。一方面由于稀土元素能與雜質元素反應，起到凈化晶界的作用，其次稀土化學性質非常活潑，在硬質相和粘結相間形成吸附膜，降低擴散運動的自由程，從而促進燒結過程中的閉孔隙球化和縮小，達到提高密度的效果。

2.2 添加稀土元素對鋼結硬質合金性能影響

表4為合金硬度、抗彎強度、沖擊韌性性能，從表中可以看出，添加了稀土元素的鋼結硬質合金在硬度、抗彎強度、沖擊韌性上均有所提高，添加Ce元素的效果好于添加Y元素。

表4 合金性能表

3 結論

1、添加稀土元素能提高WC基鋼結硬質合金的密度、硬度、抗彎強度、沖擊韌性等性能。

2、添加Ce元素與添加Y元素相比，提升性能作用較好。