稀土氧化物對(duì)硬質(zhì)合金組織和機(jī)械性能的影響

陳 慧，李 力，劉 兵，涂銘旌

(重慶文理學(xué)院重慶市粉末冶金工程技術(shù)中心，重慶 永川 402160)

大量的試驗(yàn)和研究已經(jīng)證實(shí)，稀土硬質(zhì)合金具有比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金優(yōu)越的性能［1-3］.稀土元素有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在傳統(tǒng)硬質(zhì)合金添加稀土元素或稀土氧化物，既能強(qiáng)化硬質(zhì)相、強(qiáng)化粘接相，使硬質(zhì)合金具有較高的強(qiáng)度，又能提高塑性相比例、凈化晶界且細(xì)化晶粒從而提高韌性.因此，強(qiáng)度與韌性兼?zhèn)涞南⊥劣操|(zhì)合金不僅用于制造刀具，還可用于制造模具、礦山工具和石油鉆采工具等［4-7］.

本文主要研究輕稀土氧化物CeO2、La2O3、Nd2O3及重稀土氧化物Y2O3對(duì)YG10硬質(zhì)合金組織和機(jī)械性能的影響，并探討稀土氧化物對(duì)硬質(zhì)合金強(qiáng)化機(jī)理.

1 試驗(yàn)

在YG10硬質(zhì)合金中，按稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0、0.1﹪、0.2﹪、0.3﹪、0.4﹪分別加入輕稀土氧化物 CeO2、La2O3、Nd2O3及重稀土氧化物Y2O3，經(jīng)壓制、燒結(jié)制成6.5×5.25×20 mm硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)B型樣條.

利用排水法測(cè)試密度及致密度，利用HR-150A型洛氏硬度儀測(cè)定硬質(zhì)合金的洛氏硬度(HRA)，利用JSM-5610LU掃描電子顯微鏡(SEM)檢測(cè)試樣斷口形貌，用SHT4305微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量其抗彎強(qiáng)度.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 對(duì)合金密度(致密度)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，輕稀土氧化物的引入有利于合金的致密化過(guò)程，可以提高合金的密度，如圖1所示.

通過(guò)觀察燒結(jié)后的合金表面，發(fā)現(xiàn)含輕稀土合金表面與不含稀土的合金表面存在明顯差異.含La、Nd的合金表面呈現(xiàn)淺藍(lán)色，含Ce的合金表面呈現(xiàn)紅褐色，而不含稀土的合金表面是通常的銀灰色.因此，輕稀土在合金燒結(jié)過(guò)程中有向表面遷移的趨勢(shì)，其遷移的驅(qū)動(dòng)力為合金內(nèi)部和表面的氧濃度差［8-9］.稀土元素化學(xué)性質(zhì)活潑，在合金內(nèi)部首先與O、Mg、Ca這些雜質(zhì)化合，在稀土表面遷移趨勢(shì)的帶動(dòng)下，這些雜質(zhì)元素被帶出合金內(nèi)部，而且這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程也有利于合金內(nèi)部氣體的排出［10-11］.綜上所述，輕稀土氧化物CeO2、La2O3、Nd2O3的引入有利于凈化合金內(nèi)部雜質(zhì)，而且對(duì)合金的致密化有一定的幫助.

圖1 稀土含量對(duì)合金密度的影響

2.2 對(duì)合金橫向斷裂強(qiáng)度的影響

如圖2所示，從合金橫向斷裂強(qiáng)度隨稀土含量的變化趨勢(shì)上可以看出，重稀土氧化物的作用效果要明顯優(yōu)于輕稀土氧化物.

從合金試樣橫向斷裂方式上來(lái)看，不含稀土的合金的斷裂方式基本為裂紋沿晶界的斷裂，所以斷口呈現(xiàn)冰糖狀，晶界整齊，WC晶粒多為三角形和四邊形.而加入重稀土氧化物Y2O3之后部分晶體發(fā)生了穿晶斷裂，斷口的裂紋擴(kuò)展路線(xiàn)呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，多呈韌窩狀，說(shuō)明裂紋通過(guò)晶粒內(nèi)部擴(kuò)展，如圖3所示.

圖2 稀土含量對(duì)合金抗彎強(qiáng)度的影響

裂紋的擴(kuò)展遵循最低能量原則，合金中的WC/WC晶界為粘結(jié)相，強(qiáng)度較低，所以通常合金的斷裂方式為晶界脆性解理斷裂.在硬質(zhì)合金冷卻過(guò)程中粘結(jié)相會(huì)發(fā)生相變，即由fcc結(jié)構(gòu)的α-Co轉(zhuǎn)變?yōu)閔cp結(jié)構(gòu)的ε-Co.但是，一般情況下相變是不完全的，粘結(jié)相冷卻到室溫后主要由α-Co和ε-Co兩相共同組成，稀土元素的加入可以抑制粘結(jié)相fcc→hcp馬氏體相變，從而可以減少粘結(jié)相中ε-Co的含量［12-13］.稀土元素由于其化學(xué)性質(zhì)活潑在硬質(zhì)合金中也可以起到非常好的凈化晶界的作用.由于稀土對(duì)晶界和相界的凈化作用，能夠改善WC/Co界面的潤(rùn)濕性，從而提高了合金晶界和相界的強(qiáng)度［14-16］.但隨稀土元素加入量增加，合金抗彎強(qiáng)度值出現(xiàn)最大值后下降，原因是稀土氧化物質(zhì)作為一種外來(lái)夾雜物或多或少地?fù)p壞了集體的連續(xù)性，同時(shí)彌散質(zhì)點(diǎn)前位錯(cuò)塞積群產(chǎn)生的高度應(yīng)力集中會(huì)促使微裂紋形成，造成對(duì)基體塑性的損害［17-18］.

圖3 合金斷口SEM:(a)不含稀土;(b)含重稀土氧化物Y2O3

另外，重稀土元素的加入可以對(duì)粘結(jié)相產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，一般來(lái)說(shuō)，溶質(zhì)原子和溶劑原子的直徑差越大，其強(qiáng)化效果也越大.二者的原子直徑相差較大，固溶強(qiáng)化的效果較為明顯.雖然稀土元素本身并不能固溶于Co中，但由于其在WC/Co相界面上的偏聚會(huì)導(dǎo)致合金元素從Co中的脫溶，提高粘結(jié)相中的W的含量，從而對(duì)粘結(jié)相起到固溶強(qiáng)化的作用［19-20］.當(dāng)粘結(jié)相的強(qiáng)度大于WC晶粒內(nèi)部的強(qiáng)度時(shí)，裂紋將穿過(guò)晶粒擴(kuò)展導(dǎo)致穿晶斷裂.所以，重稀土的引入對(duì)合金強(qiáng)度的提高有很大幫助.

2.3 對(duì)合金硬度的影響

在稀土含量較低時(shí)(輕稀土含量小于0.1﹪，重稀土含量小于0.2﹪)，合金硬度幾乎沒(méi)有什么變化，但當(dāng)稀土含量較大時(shí)，合金硬度下降，如圖4所示.

圖4 稀土含量對(duì)合金硬度的影響

合金的硬度主要由硬質(zhì)相提供，而稀土氧化物對(duì)合金性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)粘結(jié)相的影響上［21-22］.所以，稀土氧化物的加入對(duì)硬質(zhì)合金的硬度不會(huì)產(chǎn)生太大影響.但過(guò)多地加入稀土?xí)?dǎo)致合金硬度的下降.

3 結(jié)論

加入輕稀土氧化物(CeO2、La2O3、Nd2O3)后，有利于凈化YG10硬質(zhì)合金內(nèi)部雜質(zhì)，提高合金致密度.重稀土氧化物Y2O3的引入能夠改善WC/Co界面的潤(rùn)濕性，提高合金晶界和相界的強(qiáng)度，但加入過(guò)多會(huì)對(duì)基體韌性造成損害.加入稀土氧化物對(duì)YG10硬質(zhì)合金的硬度影響不大，但過(guò)多加入會(huì)導(dǎo)致硬度下降.

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