高強(qiáng)度鐵鎳代鈷硬質(zhì)合金的研發(fā)

【摘要】鎢鈷硬質(zhì)合金是常用的硬質(zhì)合金材料。它的優(yōu)異性能被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn),但是其鈷稀少和昂貴受到了限制,人們一直想用其它的材料代替,從而對鈷的同一族元素鐵鎳進(jìn)行了研究。對WC-F-NI系粉末冶金的工藝和性能研究表明,在添加劑的作用下,可優(yōu)化組織結(jié)構(gòu),并在真空及適宜的制備、壓制及燒結(jié)下,可獲得致密且有較高抗彎強(qiáng)度的材料,如類比YG20C材料,其A標(biāo)尺抗彎強(qiáng)度бbb≥2400Mpa,硬度HRA≥82的優(yōu)異性能。
　　【關(guān)鍵詞】硬質(zhì)合金 鐵鎳代鈷 添加劑
　　
　　綜述
　　對冷墩冷沖模的研究,其主要破壞形式有兩種,一種是磨損破壞,主要是在不斷反復(fù)的鐓沖下,工件與模具的摩擦而造成磨具的磨損,尺寸超差所造成的破壞,另一種是開裂破壞,主要原因是在反復(fù)沖擊下,使模具疲勞開裂.。在眾多的情況下,開裂是模具的主要破壞形式。強(qiáng)化模具的耐疲勞性能及抗沖擊性能成為使用壽命的主要途徑。對硬質(zhì)合金而言,就是在合金的左支線上加大自由程的長度,以提高強(qiáng)度,同時(shí)合金硬度有所下降。合金的硬度是模具有良好耐磨性的保證。高的硬度而使模具脆性加大,抗沖擊性就降低,導(dǎo)致了模具易開裂,低的硬度滿足不了使用要求。既要保持高的硬度值又要滿足合金模具的抗彎強(qiáng)度足夠高,在選材上是非常重要的。在合金的選材中,高鈷合金YG20或YG20C就成為冷墩冷沖模具的首選材料,在工業(yè)中廣泛應(yīng)用,而實(shí)踐證明YG20及YG20C材料的破壞很少是尺寸磨損的問題,而經(jīng)常是第二種形式的破壞—開裂破壞,所以要想提高模具的使用壽命,就歸結(jié)為提高材料的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊性能。
　　高鈷硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度及抗沖擊性能比低鈷合金要好的多,但也加大了合金的成本。雖然選用高鈷硬質(zhì)合金YG20及YG20C是冷墩冷沖模具材料的首選,其綜合性能也比其它合金要好,實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。應(yīng)用廣泛的YG20和YG20C冷墩冷沖模具其常見的破壞形式仍然是開裂破壞,同時(shí),由于鈷的價(jià)格昂貴,其應(yīng)用也受到了限制。如何能研制出一種既經(jīng)濟(jì),性能又好的材料來替代鈷是合金行業(yè)所追求的一個(gè)目標(biāo)。
　　目前,Fe、Ni作為膠結(jié)相也常出現(xiàn)在硬質(zhì)合金材料中,但仍不能完全代替鈷。Fe、Co、Ni為同一族元素,與WC組成的相圖也十分相似,對WC的潤濕性,在真空中鈷、鎳一樣,潤濕角等于零,而鐵較差,溶解度也不一樣,Ni溶WC為12~20%,Co為10~15%,而Fe最小,其必然影響到燒結(jié)時(shí)的重結(jié)晶速度、膠結(jié)相與WC的膠結(jié)強(qiáng)度及晶粒大小,從而影響合金強(qiáng)度性能。因而改善潤濕性也將成為提高合金強(qiáng)度的一個(gè)有效手段。
　　在Fe中加入一定數(shù)量的Ni,可以改善膠結(jié)相對WC的潤濕性,同時(shí),Fe與Ni形成無限固溶體,可使Fe得到強(qiáng)化。實(shí)踐表明,Fe:Ni=3:1的鐵鎳膠結(jié)相制的合金性能最好。此膠結(jié)的硬質(zhì)合金其組織中易出現(xiàn)η相,為了防止η相的出現(xiàn),可在混合料中加入少量的炭黑,同時(shí)也可強(qiáng)化鐵基組織。為了合金化膠結(jié)相和提高與WC的連接強(qiáng)度加入一定量的Co粉,在Co-WC和Ni-WC固溶體的顯微硬度結(jié)果表明,鈷相比鎳相強(qiáng)化效果較大,且Co與Fe、Ni均可形成無限固溶體,使膠結(jié)相潤濕進(jìn)一步改善和強(qiáng)化,通過合金這種組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,使合金使用壽命得到大幅度的提高。
　　根據(jù)上述論述及調(diào)研結(jié)果,針對冷墩冷沖模常見的破壞形式,以Fe-Ni-Co為主要粘結(jié)相使合金組織結(jié)構(gòu)改善,強(qiáng)化合金性能,研制高強(qiáng)度鐵鎳代鈷的強(qiáng)度材料。
　　
　　1 實(shí)驗(yàn)過程
　　(1)配料球磨:WC70%-FeNiCo30%,粒度-200目,C量為補(bǔ)充量。球料比3:1,濕磨20h,真空干燥,摻膠制粒。
　　(2)壓制和燒結(jié):壓制A標(biāo)樣(5×5×30mm)及釘夾模。實(shí)驗(yàn)壓制確定適宜的壓制壓力(150-350Mpa)和收縮系數(shù)(1.18-1.25),真空燒結(jié)(1360-1400℃)。
　　
　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　(1)燒結(jié)結(jié)果
　　Ts(℃)1360 1370 1380 1400
　　ρ 12.3712.4112.4212.35
　　бbb 26302882 2560 2316
　　HRA82.382.882.8 82.7
　　(2)應(yīng)用結(jié)果
　　在制鋼釘企業(yè)7個(gè)品種百余套連續(xù)考核結(jié)果表明使用壽命高于YG20C的使用壽命5.5倍,無裂紋破壞。

3 結(jié)果分析
　　(1)該合金燒結(jié)的致密化過程
　　影響致密化過程的必要因素就是液-固相間的潤濕角,液體的毛細(xì)管壓力隨著對WC顆粒的潤濕角的降低而提高,因而液相填充小孔的能力隨著對固相的潤濕角的降低而改善。其次為液相的數(shù)量,當(dāng)液相數(shù)量不超過50%時(shí),毛細(xì)管壓力隨著液相數(shù)量的增加而提高。同時(shí),WC顆粒的流動阻力則隨其增加而降低。就此材料而言,其膠結(jié)相成份為30%左右,且Ni、Co溶WC能力較大,因此,WC的溶解速度加快,增加了燒結(jié)的液相,通常液相數(shù)量保持在15~36%為宜,由此,足以保證致密化過程有足夠的液相。保證了WC顆粒在液相的包覆下流動,完成溶解、析出、固相燒結(jié)三過程,使其完全致密化,最終達(dá)到燒結(jié)的目的。在實(shí)驗(yàn)中,有微細(xì)缺陷的合金完全彌合,在低倍組織觀察及探傷檢測無任何缺陷,說明此材料潤濕改善,使充填能力增強(qiáng)。
　　(2)燒結(jié)溫度對合金性能的影響
　　燒結(jié)體的液相數(shù)量隨燒結(jié)溫度的提高而增大,就此材料而言,因Fe-Co-Ni形成無限固溶體,有效結(jié)晶溫度范圍較窄,當(dāng)燒結(jié)溫度稍有變化,液相的濃度剃度將變化較大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在1360-1380℃范圍內(nèi),性能是比較穩(wěn)定的,當(dāng)達(dá)到1400℃時(shí),抗彎強(qiáng)度下降500Mpa之多,且試樣周邊棱角變鈍,說明有流散傾向存在,溫度再高一點(diǎn),可能產(chǎn)生下坐。由此說明此材料燒結(jié)溫度區(qū)間較窄,對溫度敏感性較大,在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制。
　　(3)各元素在合金中的作用
　　碳元素在Fe-Ni膠結(jié)合金中主要是抑制極易產(chǎn)生的脆硬相的出現(xiàn),并強(qiáng)化膠結(jié)相,其數(shù)量的高低也影響著燒結(jié)溫度的高低。Co、Ni改善Fe對WC的潤濕性,Co固溶于膠結(jié)相內(nèi)起到了“釘扎”作用,阻止位錯(cuò)運(yùn)動,強(qiáng)化基體,優(yōu)化組織結(jié)構(gòu),使膠結(jié)相強(qiáng)化,保證致密化過程完全。
　　(4)強(qiáng)度特性
　　抗彎強(qiáng)度是衡量硬質(zhì)合金的一項(xiàng)重要指標(biāo),它是合金韌性的一個(gè)標(biāo)志?？箯潖?qiáng)度高,說明其韌性好,抗沖擊性能好。本材料燒結(jié)態(tài)強(qiáng)度A標(biāo)尺單值達(dá)3370Mpa,平均達(dá)2880Mpa。
　　
　　4 結(jié)論
　　(1)此材料在普通真空燒結(jié)的條件下,可得到強(qiáng)度高、抗沖擊性能好的組織結(jié)構(gòu),是替代YG20C的理想材料。
　　(2)此材料在燒結(jié)過程中膠結(jié)金屬對WC潤濕性好,液相填充能力較強(qiáng)
　　(3)此材料對燒結(jié)溫度敏感,最佳燒結(jié)溫度在1360-1380℃范圍為好。
　　(4)此材料產(chǎn)品制造工藝過程與硬質(zhì)合金相同。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]冶金工業(yè)出版社.《硬質(zhì)合金生產(chǎn)》.
　　[2]冶金工業(yè)出版社.《金屬學(xué)》.
　　[3]《粉末冶金原理》.