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高强度铁镍代钴硬质合金的研发
【摘要】钨钴硬质合金是常用的硬质合金材料。它的优异性能被广泛用于工业生产,但是其钴稀少和昂贵受到了限制,人们一直想用其它的材料代替,从而对钴的同一族元素铁镍进行了研究。对WC-F-NI系粉末冶金的工艺和性能研究表明,在添加剂的作用下,可优化组织结构,并在真空及适宜的制备、压制及烧结下,可获得致密且有较高抗弯强度的材料,如类比YG20C材料,其A标尺抗弯强度бbb≥2400Mpa,硬度HRA≥82的优异性能。
【关键词】硬质合金 铁镍代钴 添加剂
综述
对冷墩冷冲模的研究,其主要破坏形式有两种,一种是磨损破坏,主要是在不断反复的镦冲下,工件与模具的摩擦而造成磨具的磨损,尺寸超差所造成的破坏,另一种是开裂破坏,主要原因是在反复冲击下,使模具疲劳开裂.。在众多的情况下,开裂是模具的主要破坏形式。强化模具的耐疲劳性能及抗冲击性能成为使用寿命的主要途径。对硬质合金而言,就是在合金的左支线上加大自由程的长度,以提高强度,同时合金硬度有所下降。合金的硬度是模具有良好耐磨性的保证。高的硬度而使模具脆性加大,抗冲击性就降低,导致了模具易开裂,低的硬度满足不了使用要求。既要保持高的硬度值又要满足合金模具的抗弯强度足够高,在选材上是非常重要的。在合金的选材中,高钴合金YG20或YG20C就成为冷墩冷冲模具的首选材料,在工业中广泛应用,而实践证明YG20及YG20C材料的破坏很少是尺寸磨损的问题,而经常是第二种形式的破坏—开裂破坏,所以要想提高模具的使用寿命,就归结为提高材料的抗弯强度和抗冲击性能。
高钴硬质合金的抗弯强度及抗冲击性能比低钴合金要好的多,但也加大了合金的成本。虽然选用高钴硬质合金YG20及YG20C是冷墩冷冲模具材料的首选,其综合性能也比其它合金要好,实践也证明了这一点。应用广泛的YG20和YG20C冷墩冷冲模具其常见的破坏形式仍然是开裂破坏,同时,由于钴的价格昂贵,其应用也受到了限制。如何能研制出一种既经济,性能又好的材料来替代钴是合金行业所追求的一个目标。
目前,Fe、Ni作为胶结相也常出现在硬质合金材料中,但仍不能完全代替钴。Fe、Co、Ni为同一族元素,与WC组成的相图也十分相似,对WC的润湿性,在真空中钴、镍一样,润湿角等于零,而铁较差,溶解度也不一样,Ni溶WC为12~20%,Co为10~15%,而Fe最小,其必然影响到烧结时的重结晶速度、胶结相与WC的胶结强度及晶粒大小,从而影响合金强度性能。因而改善润湿性也将成为提高合金强度的一个有效手段。
在Fe中加入一定数量的Ni,可以改善胶结相对WC的润湿性,同时,Fe与Ni形成无限固溶体,可使Fe得到强化。实践表明,Fe:Ni=3:1的铁镍胶结相制的合金性能最好。此胶结的硬质合金其组织中易出现η相,为了防止η相的出现,可在混合料中加入少量的炭黑,同时也可强化铁基组织。为了合金化胶结相和提高与WC的连接强度加入一定量的Co粉,在Co-WC和Ni-WC固溶体的显微硬度结果表明,钴相比镍相强化效果较大,且Co与Fe、Ni均可形成无限固溶体,使胶结相润湿进一步改善和强化,通过合金这种组织结构的优化,使合金使用寿命得到大幅度的提高。
根据上述论述及调研结果,针对冷墩冷冲模常见的破坏形式,以Fe-Ni-Co为主要粘结相使合金组织结构改善,强化合金性能,研制高强度铁镍代钴的强度材料。
1 实验过程
(1)配料球磨:WC70%-FeNiCo30%,粒度-200目,C量为补充量。球料比3:1,湿磨20h,真空干燥,掺胶制粒。
(2)压制和烧结:压制A标样(5×5×30mm)及钉夹模。实验压制确定适宜的压制压力(150-350Mpa)和收缩系数(1.18-1.25),真空烧结(1360-1400℃)。
2 实验结果
(1)烧结结果
Ts(℃)1360 1370 1380 1400
ρ 12.3712.4112.4212.35
бbb 26302882 2560 2316
HRA82.382.882.8 82.7
(2)应用结果
在制钢钉企业7个品种百余套连续考核结果表明使用寿命高于YG20C的使用寿命5.5倍,无裂纹破坏。
3 结果分析
(1)该合金烧结的致密化过程
影响致密化过程的必要因素就是液-固相间的润湿角,液体的毛细管压力随着对WC颗粒的润湿角的降低而提高,因而液相填充小孔的能力随着对固相的润湿角的降低而改善。其次为液相的数量,当液相数量不超过50%时,毛细管压力随着液相数量的增加而提高。同时,WC颗粒的流动阻力则随其增加而降低。就此材料而言,其胶结相成份为30%左右,且Ni、Co溶WC能力较大,因此,WC的溶解速度加快,增加了烧结的液相,通常液相数量保持在15~36%为宜,由此,足以保证致密化过程有足够的液相。保证了WC颗粒在液相的包覆下流动,完成溶解、析出、固相烧结三过程,使其完全致密化,最终达到烧结的目的。在实验中,有微细缺陷的合金完全弥合,在低倍组织观察及探伤检测无任何缺陷,说明此材料润湿改善,使充填能力增强。
(2)烧结温度对合金性能的影响
烧结体的液相数量随烧结温度的提高而增大,就此材料而言,因Fe-Co-Ni形成无限固溶体,有效结晶温度范围较窄,当烧结温度稍有变化,液相的浓度剃度将变化较大,实验结果表明,在1360-1380℃范围内,性能是比较稳定的,当达到1400℃时,抗弯强度下降500Mpa之多,且试样周边棱角变钝,说明有流散倾向存在,温度再高一点,可能产生下坐。由此说明此材料烧结温度区间较窄,对温度敏感性较大,在生产中应严格控制。
(3)各元素在合金中的作用
碳元素在Fe-Ni胶结合金中主要是抑制极易产生的脆硬相的出现,并强化胶结相,其数量的高低也影响着烧结温度的高低。Co、Ni改善Fe对WC的润湿性,Co固溶于胶结相内起到了“钉扎”作用,阻止位错运动,强化基体,优化组织结构,使胶结相强化,保证致密化过程完全。
(4)强度特性
抗弯强度是衡量硬质合金的一项重要指标,它是合金韧性的一个标志。抗弯强度高,说明其韧性好,抗冲击性能好。本材料烧结态强度A标尺单值达3370Mpa,平均达2880Mpa。
4 结论
(1)此材料在普通真空烧结的条件下,可得到强度高、抗冲击性能好的组织结构,是替代YG20C的理想材料。
(2)此材料在烧结过程中胶结金属对WC润湿性好,液相填充能力较强
(3)此材料对烧结温度敏感,最佳烧结温度在1360-1380℃范围为好。
(4)此材料产品制造工艺过程与硬质合金相同。
参考文献
[1]冶金工业出版社.《硬质合金生产》.
[2]冶金工业出版社.《金属学》.
[3]《粉末冶金原理》.
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