高强度铁镍代钴硬质合金的研发

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(℃)1360137013801400ρ12.3712.4112.4212.35бbb2630288225602316HRA82.382.882.882.7(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》.