简介概要

金刚石复合片中稀土硬质合金基片的制备

来源期刊：稀有金属2003年第5期

论文作者：唐群

关键词：稀土; 硬质合金; 真空度;

摘要：采用共沉淀法制备含稀土的碳化物粉或含稀土的钴粉, 通过真空烧结制成金刚石复合片用稀土硬质合金基片, 并进行了性能的测定; 研究了真空烧结过程中真空度对合金组织结构的影响. 结果证明, 稀土元素的加入使合金的平均抗弯强度提高了27%, 而对硬度、密度无明显影响; 可以通过控制硬质合金真空烧结过程中的真空度来调整合金的组织结构.

稀有金属 2003,(05),614-616 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.05.027

金刚石复合片中稀土硬质合金基片的制备

北京有色金属研究总院能源中心北京100088

摘要：

采用共沉淀法制备含稀土的碳化物粉或含稀土的钴粉 , 通过真空烧结制成金刚石复合片用稀土硬质合金基片 , 并进行了性能的测定 ;研究了真空烧结过程中真空度对合金组织结构的影响。结果证明 , 稀土元素的加入使合金的平均抗弯强度提高了 2 7% , 而对硬度、密度无明显影响 ;可以通过控制硬质合金真空烧结过程中的真空度来调整合金的组织结构

关键词：

稀土;硬质合金;真空度;

中图分类号： TF125

收稿日期：2003-06-20

Preparation of Substrate of Cemented Carbide with Rare Earth Element for PDC

Abstract：

Carbide and cobalt podwers with rare earth element were prepared by codeposition. The powders were used for the processing of cemented carbide composed of WC 16%Co with rare earth elements (RE) by vacuum sintering. The WC-16% Co Cemented carbide with RE was used for the substrate for PDC. The mechanical properties of the alloys were determined. The influnce of vacuum on structure was investigated. It is shown that the average bending strength of WC 16%Co alloy with RE increases 27% compared with alloy without Re, but the hardness and the density of the alloy are not influnced in evidently. The structure of the cemented carbide can be controlled by vacuum parameters during the sintering of the alloy.

Keyword：

rare earths; cemented carbide; vacuum;

Received： 2003-06-20

金刚石复合片作为新型的超硬材料产品, 现已广泛应用于石油、地质、煤田的开采钻探及机械加工的多个领域中。金刚石复合片 (PDC) 主要由3部分组成, 其结构如图1所示, 其原理是将聚晶金刚石与硬质合金相复合, 利用复合的硬质合金作为支撑体增强PDC片的抗冲击能力, 而发挥聚晶金刚石硬度高、耐磨性好的优点。由于金刚石聚合过程温度较高 (1400～1500 ℃) , 造成硬质合金二次烧结, 致使Co相流失, 晶粒长大, 使组织变得疏松, 合金性能下降。为进一步提高硬质合金的性能, 通过添加稀土获得了强度较高的硬质合金基片。稀土在硬质合金中的应用研究被列为“七五”、 “八五”期间国家重点攻关项目, 北京有色金属研究总院、株洲硬质合金厂、自贡硬质合金厂、东北大学等单位进行了联合攻关, 重点解决了稀土添加剂的形态和添加方法问题并对稀土在硬质合金中的机制进行了研究。

1 实验部分

采用共沉淀法进行含稀土的碳化物粉或含稀土的钴粉的制备 ^[1] 。然后, 按所需成分进行配料后, 经24 h混料、球磨, 出料烘干后掺成型剂, 在60 t四柱油压机上压制成型, 先在氢气保护气氛下脱除成型剂, 然后真空烧结。采用AG-25TA万能材料试验机进行抗弯强度的测定; HR-150A型洛氏硬度计测定合金硬度; 利用阿基米德原理测量密度。在相同条件下制备不加稀土的硬质合金试样, 进行性能比较。

2 结果与讨论

2.1 稀土对硬质合金基片的强化作用

添加稀土元素的PDC复合片基片用硬质合金YR16与不加稀土元素的硬质合金Y16的主要力学性能的对比数据见表1。

从表1可见, 稀土元素的加入使合金的平均抗弯强度提高了27%, 而对硬度、密度无明显影响。究其原因, 经大量实验证明稀土在硬质合金中的作用机制为:稀土元素能富集合金中S, O等有害杂质形成球状化合物聚集在晶界或存在于钴粘接相中, 起到净化晶界的作用 ^[2,3] , 从而改善了硬质相与粘接相的结合强度; 稀土元素微量固溶于粘接相, 可抑制粘接相中面心立方结构的α-Co向密排六方的ε-Co转变 ^[4,5,6,7] , 并提高W在粘接相中的溶解度 ^[2,4,8] , 从而提高粘接相的强度及塑性。所以, 稀土元素的加入使合金的抗弯强度得以提高。

图1 金刚石复合片结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of PDC

表1 YR16和Y16的主要物理力学性能 下载原图

Table 1 Physical and mechanical properties of YR16 and Y16

表1 YR16和Y16的主要物理力学性能

2.2 真空度对合金组织结构的影响

在真空烧结过程中真空度对C, O反应的影响表现为: 提高真空度将有利于脱C反应的进行, 反之则抑制脱C反应的发生。而硬质合金的C含量对其组织结构起着关键作用:根据W-C-Co三元系状态图凝固温度下的等温截面图 ^[9,10] , 只有C含量在WC-Co两相区范围内波动时才不会出现其他的相; 此外, 对正常两相WC-Co合金来说, C含量的不同对合金性能也有很大的影响: 合金烧结后, 在冷却速度相同的情况下, 粘接相的成分与合金的C含量有关, WC-Co硬质合金在Co含量相同的情况下, 粘接相成分对合金性能起着非常重要的作用, 粘接相的成分主要是指W在粘接相中的溶解度。正常两相WC-Co合金粘接相中的W含量与合金C含量的关系如图2所示 ^[9] 。从图中可知粘接相中W含量随合金C含量的降低而升高。对于高Co合金来说, 其强度及耐磨性随Co粘接相中W含量的增加而提高。

将稀土加入合金后, 稀土元素的作用之一是通过微量固溶于粘接相, 提高W在粘接相中的溶解度, 起到提高合金抗弯强度的作用, 因此合金的C含量的控制也直接影响稀土元素作用的充分发挥。硬质合金的C含量与原料碳化物粉及钴粉的成分、所加成型剂的种类、添加量, 脱除成型剂工艺、脱除后坯料放置时间、以及烧结工艺等因素有关。实验证明, 在严格控制混合料C, O含量的基础上, 且其他条件相同时, 可以通过控制硬质合金烧结过程中的真空度来调整烧结工艺, 达到调整合金含C量的目的。

在真空烧结过程中, 炉内真空度经过如下几个阶段时将明显下降: 吸附气体解吸、残余成型剂排除、碳氧反应生成CO、粘接相挥发。对这几个阶段的真空度进行调节控制对合金的组织结构会有明显的影响, 试样a, b均为Φ21 mm×8 mm, 成份为YR16的含稀土硬质合金圆片。图3、5为试样a, b在烧结过程中, 炉内真空度随时间变化曲线及烧结温度随时间变化曲线。图4, 6为试样a, b烧结后的金相组织照片。由图4及图6可见, 试样a严重缺C, 而试样b未见缺碳相的生成, 分析原因认为, 图3显示试样a在烧结过程升温较快, 不利于吸附气体的解吸, 造成吸附氧含量的提高, 从而在C, O反应中夺取合金中的C使合金脱C。而较高的真空度有利于碳氧反应的进行, 尤其是高温阶段高真空粘接相大量挥发, 碳氧反应继续发生, 因而导致大量缺C相的生成。图5表明试样b在整个烧结过程中真空度都相对较低, 升温速度较慢, 在400～650 ℃之间, 真空度明显下降, 说明有吸附气体及残余成型剂排除, 经过一段时间保温使气体充分排除直至真空度回升再继续升温, 并控制高温时的真空度在较低的水平为270 Pa, 这样可以较好地抑制脱C反应的进行, 因此得到正常的合金组织。