添加劑對超粗合金性能的影響

劉華平，譚文生，陸慶忠

（蘇州新銳合金工具股份有限公司，湖北 潛江 433124）

1 引言

礦用工具、挖掘工具在使用過程中，硬質(zhì)合金零件承受高的循環(huán)載荷和摩擦力的作用，因而除受到磨粒磨損外，還受到周期性的沖擊載荷和熱沖擊，合金容易出現(xiàn)龜裂。 低的粘結(jié)相含量有利于提高合金的熱導(dǎo)率， 降低合金的熱膨脹系數(shù)。 和細(xì)晶粒合金相比，粗晶粒合金具有更好的斷裂韌性[1]。因此，制備礦用合金的趨勢是降低合金的Co 含量，增大WC 晶粒度，可同時獲得好的斷裂韌性及高溫性能。 最近幾年，超粗合金成為硬質(zhì)合金的一個發(fā)展方向。超粗合金雖然韌性較高，但其耐磨性和強(qiáng)度較低，如何在保持超粗合金高韌性的同時，提高其強(qiáng)度、耐磨性及抗熱疲勞性，這是超粗合金當(dāng)前要解決的一個問題。

通過對國外許多廠家的鑿巖合金進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)美國、德國一些廠家的合金中添加了微量NbC、TiC。 為提高超粗合金的強(qiáng)度、耐磨性及抗熱疲勞性，本文主要研究各種碳化物添加劑對超粗合金性能的影響，從而確定添加劑的最佳類型及其含量、加入方式。

2 實驗方法

選擇本公司開發(fā)的JZ10CC 超粗合金，進(jìn)行添加碳化物的粉料實驗。各種配方粉料在1-S 球磨實驗機(jī)內(nèi)進(jìn)行研磨。 使用DAKE 試驗壓機(jī)，壓制試樣并進(jìn)行低壓燒結(jié)。 2 個30g 重的圓柱試樣用于常規(guī)物理、金相檢測；按照GB/T 3851-1983標(biāo)準(zhǔn)加工B 型試樣， 進(jìn)行抗彎強(qiáng)度檢測； 按照ASTM B771-1987（2006）標(biāo)準(zhǔn)加工試樣，進(jìn)行斷裂韌性檢測；按照 ASTM B611-1985（2005）標(biāo)準(zhǔn)加工試樣，進(jìn)行耐磨性檢測。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 不同類型的添加劑對超粗合金性能的影響

WC-Co 合金中添加微量TiC 等碳化物添加劑， 有益于改善合金粘結(jié)相成分及晶界微觀結(jié)構(gòu)，提高合金的耐磨性，更重要的是提高了合金的抗熱沖擊和抗熱塑變的能力[2]。 為確定最佳添加劑類型，往JZ10CC 合金中分別添加TiC、NbC、(X，Y)C 等，含量均為0.5%。 粉料實驗結(jié)果如下：

3.1.1 含不同類型添加劑的超粗合金理化性能

對含 TiC、NbC、(X，Y)C 的 JZ10CC 合金理化性能進(jìn)行分析，見表1。

從表1 看出：JZ10CC 合金加入碳化物添加劑可使密度減小，硬度增加。 添加TiC 的JZ10CC合金硬度最高，添加(X，Y)C 的JZ10CC 合金硬度最低。 此外JZ10CC 合金加入碳化物添加劑，可使合金中的異常大晶粒數(shù)量減少，說明碳化物添加劑對超粗合金的晶粒長大有抑制作用。 將含TiC、NbC、TiC+NbC、(X，Y)C 的 JZ10CC 合金以及不含添加劑的JZ10CC 合金晶粒進(jìn)行對比，見圖1，圖 2，圖 3，圖 4，圖 5。

表 1 含 TiC、NbC、（X，Y)C 的 JZ10CC 合金理化性能

JZ10CC 合金中加入碳化物添加劑后， 生成了除WC 和Co 外的第三種顯微結(jié)構(gòu)相， 第三相能提高合金的耐磨性[3]。 JZ10CC-NbC 合金中第三相的數(shù)量最多， JZ10CC-TiC 合金中第三相的數(shù)量其次，而JZ10CC-(X，Y)C 合金中第三相的數(shù)量最少，這是因為(X，Y)C 在鈷中的溶解度最大，TiC 在鈷中的溶解度其次，而NbC 在鈷中的溶解度最小。

3.1.2 含不同添加劑的超粗合金機(jī)械性能

圖 1 JZ10CC（1000X）

圖 2 JZ10CC-TiC（1000X）

圖 3 JZ10CC-NbC（1000X）

圖 5 JZ10CC-(X，Y)C（1000X）

含不同添加劑JZ10CC 合金機(jī)械性能見表2。

從表 2 看出，JZ10CC 合金中添加 TiC、TiC+NbC 可降低合金的抗彎強(qiáng)度，這是因為超粗合金中加入TiC 降低了鈷對WC 相的潤濕性，從而導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度降低[4]；而添加NbC 對JZ10CC 合金強(qiáng)度基本無影響，添加(X，Y)C 可提高JZ10CC 合金的抗彎強(qiáng)度。JZ10CC 合金中添加碳化物后，其斷裂韌性都降低， 加入TiC 的合金韌性降低最多，加入(X，Y)C 的合金韌性基本不降低。

表2 含不同添加劑的JZ10CC 合金機(jī)械性能

圖 4 JZ10CC-Ti，Nb（1000X）

3.2 不同含量的添加劑對超粗合金性能影響

為研究不同含量添加劑對超粗合金性能影響，進(jìn)行(X，Y)C 添加劑的粉料實驗。 對不同(X，Y)C 含量的JZ10CC 合金的理化性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。

由表 3 看出，JZ10CC 加入(X，Y)C，其密度稍有降低。 隨著(X，Y)C 含量的增加，JZ10CC 合金的密度無明顯變化，硬度略有增加。JZ10CC 合金中添加(X，Y)C 可提高合金的抗彎強(qiáng)度，隨著(X，Y)C 含量的增加，JZ10CC 合金抗彎強(qiáng)度升高， 國外學(xué)者研究認(rèn)為：添加(X，Y)C 不但可提高合金的硬度，也可提高合金的抗彎強(qiáng)度。三種合金的斷裂韌性先隨著(X，Y)C 含量的增加而稍微增加， 達(dá)到一個最大值后，隨著(X，Y)C 含量的增加而降低。 可以看出，(X，Y)C 含量為0.5%的JZ10CC 綜合性能最佳。

3.3 XC、YC 的加入方式對超粗合金性能影響

超粗合金添加劑的加入方式有兩種：其一是以固溶體形式加入，其二是以單質(zhì)碳化物形式加入。本文研究(X，Y)C 固溶體和 XC+YC（1：1 比例單質(zhì)混合）兩種添加劑對超粗合金性能的影響， 添加劑的含量為0.5%，兩種合金的理化性能、機(jī)械性能見表4。

由表 4 看出， 不同添加方式的 XC、YC 對JZ10CC 合金理化性能、 抗彎強(qiáng)度及斷裂韌性影響基本一樣。

表3 不同含量(X，Y)C 的JZ10CC 合金理化性能

含(X，Y)C、XC+YC 的 JZ10CC 合金晶粒如圖6、圖 7。

從圖 6、7 看出， 不同添加方式的 XC、YC 對JZ10CC 合金晶粒影響一樣。

表 4 含 XC、YC 的 JZ10CC 合金性能

圖 6 JZ10CC-(X，Y)C（1000X）

圖 7 JZ10CC-XC+YC（1000X）

4 結(jié)論

本文主要研究了超粗合金中添加TiC、NbC、(X，Y)C 等碳化物添加劑對超粗合金性能的影響，同時探討了不同含量的添加劑及加入方式對超粗合金性能的影響，有如下結(jié)論：

（1） 超粗合金中添加 TiC、TiC+NbC 可降低合金的抗彎強(qiáng)度， 而添加NbC 對合金強(qiáng)度基本無影響， 加入 (X，Y)C 可提高合金的抗彎強(qiáng)度。JZ10CC 合金中添加碳化物后， 其斷裂韌性都降低，加入TiC 的合金韌性降低最多，加入(X，Y)C的合金韌性基本不降低。

（2）超粗合金中添加(X，Y)C，可提高合金的抗彎強(qiáng)度，并且隨著(X，Y)C 含量的增加，合金的抗彎強(qiáng)度升高。合金的斷裂韌性先隨著(X，Y)C 含量的增加而稍微增加， 含量為0.5%時達(dá)到最大值，然后隨著(X，Y)C 含量的增加而降低。

（3）添加劑的不同加入方式對超粗合金性能的影響效果一樣。

[1]張國櫸，劉榮湘，陳泓.鑿巖釬具的設(shè)計、制造和選用[M].湖南：湖南科技出版社，1988.165-176.

[2]張俊熙，周書助.國外鑿巖合金鉆頭材質(zhì)剖析結(jié)果與探討[M].湖南株洲：中國鎢業(yè)協(xié)會硬質(zhì)合金分會，2004.

[3]Erich Schachel 等.碳化鉭技術(shù)[J].國外難熔金屬與硬質(zhì)材料，1992，8(1)：13-20.

[4]楊超塵，李望梅等.添加劑對硬質(zhì)合金性能的影響[J].硬質(zhì)合金，1989，（1）：13-17.