稀土對硬質(zhì)合金刀具材料微觀結構和力學性能的影響

【摘 要】稀土是一種非常重要的工業(yè)生產(chǎn)原料，當下很多高科技產(chǎn)品、軍工產(chǎn)品生產(chǎn)都離不開稀土，本文從稀土元素的添加方式、形態(tài)以及種類對合金硬質(zhì)刀具材料的力學結構和微觀結構的影響展開討論，并且針對當前階段研究的問題展開討論，并對今后該行業(yè)的發(fā)展方向給予了展望。

【關鍵詞】稀土元素；硬質(zhì)合金；刀具材料；影響

上個世紀六十年代初期就已經(jīng)開始了稀土元素對硬質(zhì)合金刀具材料的影響研究，早在1965年的德國就率先公布了將0.2%Ce加入硬質(zhì)合金添加劑中，能夠將硬質(zhì)合金的硬度有效提高0.5～1HRA，抗彎強度有效提高20%。另外在硬質(zhì)合金中添加Y或者濃度為0.1～2%的Ce能夠有效促進硬質(zhì)合金提高其抗溫強度和抗氧化性，接下來的日本、南非以及美國先后報道了在硬質(zhì)合金中加入兩種以上稀土元素，具體包括0.05～5%wtGd和Pr兩種稀土元素，這樣對硬質(zhì)合金的變形性和抗裂性都會起到較大的改善。上個世紀八十年代，我國東北工學院關于稀土元素添加在硬質(zhì)合金刀具材料的應用方面取得了較大的突破，然后經(jīng)過很多家科研單位的聯(lián)合，先后研制出YT15R、YT5R 、YG8R和YG6R等具備優(yōu)良品質(zhì)的硬質(zhì)合金刀具的新材料，但是由于生產(chǎn)技術的限制上述優(yōu)良品質(zhì)的硬質(zhì)合金刀具材料至今也沒有實現(xiàn)量產(chǎn)。

一、關于稀土元素的添加

（一）關于添加稀土元素的形態(tài)和種類

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當前能夠添加至硬質(zhì)合金材料中的稀土元素有很多種，具體包括：Sm、Nd、Gd、Dy Ce、Sc、Y、La以及Pr等，以上元素可以添加其中一種也可以同時添加兩種以上，可添加的稀土元素狀態(tài)一般為混合稀土、稀土氧化物或者稀土金屬。根據(jù)刀具材料的制作需求添加不同形態(tài)和種類的稀土，就能制作出具有不同力學性能和微觀結構的刀具，添加稀土元素的根本目的在于通過稀土中所含的活性物質(zhì)改變硬質(zhì)合金刀具材料的性能。以稀土化合物的添加為例，添加時雖然能夠給硬質(zhì)合金生產(chǎn)帶來較高的穩(wěn)定性，同時又可以不在真空環(huán)境下操作，但是在生產(chǎn)的過程中會出現(xiàn)大量溢出的氧氣無法處理，因此這樣的添加效果就會受到不利影響。

（二）關于稀土元素添加量的研究

稀土添加量對于硬質(zhì)合金的刀具來說具有十分重要的意義，稀土添加量應該設在一個最佳的添加范圍內(nèi)，因為硬質(zhì)合金刀具對于稀土的添加量表現(xiàn)十分敏感，一般情況下，稀土添加量都會控制在0.1～2.0%w之內(nèi)。對于同一個系列的同一牌號的硬質(zhì)合金來說，需要確定固定質(zhì)量的稀土添加量，另外經(jīng)過長久的實踐發(fā)現(xiàn)，不同的稀土添加量要采用不同的添加方式，例如：采用球磨分散方式來添加稀土，就需要比其他方式多準備出兩倍的稀土量。

（三）關于稀土元素的添加方式探討

經(jīng)過長時間的實踐表明，稀土元素應該在粉末混合配料中加入，原因在于在原料粉磨中能夠使得稀土得以均勻的散開，這樣才能提高合金內(nèi)部成分的均勻分布。但是在過去的相關實驗中有數(shù)據(jù)顯示采用球磨方式加入稀土元素能夠產(chǎn)生稀土元素的不均勻分布。通過檢測發(fā)現(xiàn)，合金金屬內(nèi)部存在大量的稀土元素聚集區(qū)域，一般情況下，都是（W，Ti）C和WC兩種元素容易大量聚集。由于出現(xiàn)了稀土元素的過多聚集情況，很可能削弱碳化物與鈷粘結的結合強度，最終影響硬質(zhì)合金的材料質(zhì)量。

二、關于硬質(zhì)合金刀具材料在微觀結構中受到稀土的影響

到目前為止，稀土對硬質(zhì)合金刀具的微觀結構影響沒有統(tǒng)一的結論，根據(jù)之前的研究實驗結果發(fā)現(xiàn)，在813硬質(zhì)合金、YG6硬質(zhì)合金、YT15硬質(zhì)合金以及YT14硬質(zhì)合金材料中添加稀土元素后，硬質(zhì)合金的密度變化并不明顯。但是經(jīng)過檢測加入稀土元素后的硬質(zhì)合金夾雜石墨情況完全消失，硬質(zhì)合金的孔隙度變得更小，并且之前包含的（W，Ti）C碳化物都變成了細化的固溶體晶粒也隨之消失不見，這是硬質(zhì)合金材料在微觀結構中受到稀土元素的影響。另外如果在WC-Ni合金中加入稀土元素則會顯現(xiàn)出硬質(zhì)合金的密度有效提高，合金的孔隙度大幅度降低，并且伴隨少量的游離石墨出現(xiàn)，另外在不同類型的合金中加入不同劑量的稀土元素，硬質(zhì)合金的微觀結構還會出現(xiàn)不同程度的粘結度變化以及合金的微觀變形影響。

三、稀土對硬質(zhì)合金刀具材料的力學性能影響

對硬質(zhì)合金材料加入稀土后對合金材料的抗彎能力影響最大，因此硬質(zhì)合金在抗彎力學性能上受稀土影響最深，根據(jù)相關實驗數(shù)據(jù)表明YT5硬質(zhì)合金刀具性能受到稀土元素Y 、Gd、 Nd 、Pr、La 以及Ce混合的影響較大，有相關數(shù)據(jù)表明稀土硬質(zhì)合金刀具材料的力學性能的影響成正比關系，在采用恰當?shù)奶砑臃绞揭约昂侠砜刂葡⊥撂砑觿┝糠秶鷥?nèi)，添加的相關稀土元素量越大硬質(zhì)合金YT5材料的抗彎性能越強。

四、結語

總之，稀土元素的添加量、添加方式以及種類都會對硬質(zhì)合金刀具的材料的微觀結構和力學性能產(chǎn)生影響，具體影響根據(jù)稀土元素以及硬質(zhì)合金牌號而定，只有不斷加強對硬質(zhì)合金的研究，最終才能獲得更多性質(zhì)優(yōu)良的硬質(zhì)合金刀具材料。

參考文獻：

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[3]張金娟.硬質(zhì)合金釬焊技術的研究進展及展望[J].信息記錄材料，2019，20（03）：11-12

作者簡介：

聶騫（1986-），男，遼寧省阜新蒙古族自治縣，大專，冶金技術，研究方向：工業(yè)熱能與金屬材料物理檢測與冶金化學分析。