稀土对基钢结硬质合金密度和性能影响

钢结硬质合金具备硬质合金和钢两种材料优点，和钢铁材料相比，钢结硬质合金在硬度、耐磨性、弹性模量和抗压强度等方面具有优势；而和硬质合金相比，其又在抗弯强度、冲击韧性、可热处理性等方面性能优异[1-2]。因此，钢结硬质合金在模具和切削刀具领域已经部分替代硬质合金和模具钢，此外，其作为耐磨零件在机械、建筑、采矿等领域中应用也逐渐增加[3-4]。

目前有较多学者开展了关于稀土元素对各类硬质合金的组织性能影响方面的研究，绝大部分结果均表明添加稀土元素能够有效提高硬质合金的性能[5-7]。但是由于单质稀土化学活性高，容易被氧化，难以应用到规模化的工业实际生产中。此外大部分稀土添加方式采用球磨混料，难免产生稀土的偏聚，因此，本文采用气雾化法制备稀土掺杂高速钢预合金粉末作为钢结硬质合金的粘结相，制备了掺杂稀土的WC基钢结硬质合金。

1 实验

1.1 实验原料

采用WC粉、稀土掺杂M3高速钢预合金粉、碳粉作为原材料。使用PEG作为成形剂。原料纯度和粒度等信息见表1。

表1 原料信息表名称 纯度 粒度 产地碳化钨粉 99.9% 0.5μm 赣州华茂钨材有限公司M3高速钢粉 99.8% 500目 安泰科技股份有限公司M3+2%Ce预合金粉 99.8% 500目 安泰科技股份有限公司M3+2%Y预合金粉 99.8% 500目 安泰科技股份有限公司PEG 99.9% / 江苏省淮安石油化工厂无水乙醇 分析纯 / 国药集团化学试剂有限公司

1.2 实验方法

图1 烧结工艺曲线图

图2 样品金相图

以无水乙醇作为湿磨介质，采用行星球磨机混料，并在硬质合金球磨罐中充入氩气，采用硬质合金磨球，球料比为5：1，球磨转速为200r/min，球磨时间为48h，经65℃真空干燥后过筛，获得待压料。将待压料进行冷等静压成形，压制压力为240MPa，保压时间为5min，获得压坯。将压坯放入真空碳管炉中进行真空烧结，烧结温度为1250℃。表2所示为合金成分配比，图1所示为合金烧结工艺曲线。

表2 合金成分表编号 M3 M3+2%Ce M3+2%Y WC C 1 180 20 0.2 2 180 20 0.2 3 180 20 0.2

1.3 性能测试

将烧结后获得的试样利用线切割机切割成5mm×5mm×55mm和5.25mm×6.5mm×20mm的试样条以便测试抗弯强度和冲击韧性，采用阿基米德法测定试样密度，采用LVO-18扫描电镜观察试样的组织，采用数显洛氏硬度计FR-3E测试合金硬度，采用力学万能试验机测试合金抗弯强度，采用150J冲击试验机测试合金冲击韧性。

2 分析和讨论

2.1 添加稀土元素对钢结硬质合金密度及微观组织的影响

表3是各试样的密度。可以看出，添加了稀土元素的钢结硬质合金均比未添加稀土的合金密度有了明显的提高，添加Ce元素与Y元素相比，合金密度增加幅度较大。

表3 合金密度表编号 密度g/cm3 1 7.424 2 8.328 3 7.620

图2为试样的金相背散射电子显微结构照片。从图中可以看出采用未添加稀土的M3高速钢粉制备的样品有较多的孔隙，而采用添加稀土的M3高速钢粉制备的样品孔隙相对较少，其中添加了Ce的样品孔隙最少。一方面由于稀土元素能与杂质元素反应，起到净化晶界的作用，其次稀土化学性质非常活泼，在硬质相和粘结相间形成吸附膜，降低扩散运动的自由程，从而促进烧结过程中的闭孔隙球化和缩小，达到提高密度的效果。

2.2 添加稀土元素对钢结硬质合金性能影响

表4为合金硬度、抗弯强度、冲击韧性性能，从表中可以看出，添加了稀土元素的钢结硬质合金在硬度、抗弯强度、冲击韧性上均有所提高，添加Ce元素的效果好于添加Y元素。

表4 合金性能表编号 硬度/HRA） 抗弯强度/MPa 冲击韧性/J 1 70 1290 8.1 2 83 1580 9.8 3 74 1320 8.5

3 结论

1、添加稀土元素能提高WC基钢结硬质合金的密度、硬度、抗弯强度、冲击韧性等性能。

2、添加Ce元素与添加Y元素相比，提升性能作用较好。

[1]株洲硬质合金厂.钢结硬质合金[M]. 冶金工业出版社,北京：1982，1-3.

[2]Jakab. Characterization of the serviceability of steel-bonded hardmetals ［J］ . Refractory Metals ＆ Hard Materials, 1993,12（6）：341-348.

[3]Akhtar F, GUO S J. Microstructure, mechanical and fretting wear properties of Ti C- stainless steel composites[J]. Materials Characterization, 2008, 59（1）：84-90.

[4]陈骏，郭志猛，罗骥，等. 稀土添加量对Ti C基钢结硬质合金性能的影响[J].粉末冶金工业，2015，25（3）：12-16

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