Im Allgemeinen führt eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Hartmetall zu einer Verringerung der Hartmetallzähigkeit, und eine Erhöhung der Zähigkeit von Hartmetallen führt zu einer verringerten Verschleißfestigkeit. Verschleißfestigkeit und Zähigkeit sind eine widersprüchliche Einheit. Die Lösung dieses Widerspruchs ist in der heutigen Hartmetallproduktion zu einer großen Herausforderung geworden. Durch Tests haben wir herausgefunden, dass die Zugabe von Spurenelementen seltener Erden zu Bergbaukarbiden dieses Problem wirksam lösen kann.

Die Faktoren, die den Einfluss seltener Erdelemente auf Bergbaukarbide beeinflussen

Wir haben das Bergbaukarbid MTY25 unserer Fabrik ausgewählt und vor dem Nassmahlen eine Mischung aus Seltenerdelementen hinzugefügt, um eine Mischung namens MTY25R herzustellen. Beide wurden bei hoher Temperatur gesintert, um experimentelle Materialien für Leistungstests herzustellen.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die Zugabe von Seltenerdelementen die Werte für Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit des Bergbaukarbids erhöht hat, mit minimalen Auswirkungen auf Härte, Dichte und magnetische Eigenschaften. Dies weist darauf hin, dass der Einschluss von Seltenerdelementen die plastische Verformungsfähigkeit der Bindungsphase und ihre Bindungsstärke mit der Hartphase an der Grenzfläche verbessert.

Die Zugabe von Seltenerdelementen zum Karbid kann das Karbid mit Verunreinigungselementen anreichern, die Verteilung von Grenzflächenverunreinigungen verbessern, Korngrenzen reinigen, die Bindungsphase stärken und die Zusammensetzung der Co-Phase verändern. Wir glauben, dass Seltenerdelemente neben der Stärkung der Co-Matrix der Bindungsphase vor allem die Phasenumwandlung von Co hemmen.

Wir haben MTY25R- und MTY25-Bergbaukarbid einer elektrolytischen Auflösungsmethode unterzogen, bei der die Oberflächenschicht von WC selektiv aufgelöst wurde und die Co-Phase für die quantitative Röntgenanalyse übrig blieb. Wir fanden heraus, dass die Zugabe von Seltenerdelementen den Gehalt an duktilem α-Co im Karbid von etwa 60% auf über 90% erhöht und so die Plastizität der Co-Phase deutlich erhöht. Folglich führt diese Verbesserung zu einer höheren Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit des Hartmetalls.

Die Validierung der Ergebnisse durch die experimentellen Daten

Um die Leistungsunterschiede zwischen Karbiden mit und ohne Zusätze von Seltenerdelementen während der tatsächlichen Verwendung zu verstehen, haben wir die folgenden zwei Schritte durchgeführt:

1Dynamische thermische Simulationstests wurden durchgeführt, um die Änderungen der Karbidleistung unter Betriebsbedingungen zu simulieren und den Einfluss seltener Erdelemente auf die Leistung des Karbids zu bestimmen.

2Feldversuche wurden an Bergbaustandorten durchgeführt, um die Lebensdauer des Karbids zu beurteilen. Wir haben dynamische Hochtemperatursimulationstests an der Central South University in China durchgeführt (siehe Tabelle 2).

Die Testergebnisse deuten darauf hin, dass die Zugabe von Seltenerdelementen zum Karbid die thermische Festigkeit des Karbids verringert und gleichzeitig seine thermische Plastizität und Hochtemperaturzähigkeit (dargestellt durch die Gesamtfläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve) erhöht. Dieser Effekt ähnelt der Erhöhung des Co-Gehalts. Karbide, die Seltenerdelemente enthalten, weisen eine hervorragende thermische Plastizität und Zähigkeit auf, wodurch sie die komplexen thermischen Belastungsunterschiede bei der plastischen Verformung in Umgebungen mit hohen Temperaturen besser bewältigen können. Daher können Karbide mit Zusätzen von Seltenerdelementen ihre Leistung im Einsatz verbessern, die Verschleißfestigkeit erhöhen und ihre Lebensdauer verlängern.

Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen, dass das MTY25R-Karbid mit zugesetzten Seltenerdelementen im Vergleich zum MTY25-Karbid ohne Seltenerdelemente eine Verbesserung sowohl der Lebensdauer als auch der Verschleißfestigkeit aufweist. Insbesondere bei dem in der Lugu-Eisenmine durchgeführten Test zeigte das MTY25R-Hartmetall eine hervorragende Leistung.

Die Lugu-Eisenmine ist einer der Standorte in China, der für das härteste Gestein bekannt ist. Typischerweise werden in dieser Region Bohrkronen mit Hartmetalleinsätzen mit einer Dicke von 16 mm für die Erzgewinnung verwendet, während die Hartmetalleinsätze, die wir in unserem Test verwendeten, 10 mm dick waren. Während des gesamten Experiments wurden jedoch keine Fälle von Karbidbrüchen bei den mit Seltenerdelementen versetzten Hartmetalleinsätzen beobachtet. Auch die Lebensdauer dieser Einsätze wurde im Vergleich zu den Einsätzen ohne Seltenerdelemente deutlich verlängert. Dies stützt nachdrücklich die Schlussfolgerung, dass die Zugabe von Seltenerdelementen tatsächlich die Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit des Hartmetalls verbessern und so seine Leistung in realen Anwendungen verbessern kann.

Fazit

1Die Zugabe einer bestimmten Menge und Form von Seltenerdelementen zu Bergbaukarbiden kann die Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit des Karbids verbessern und so die Verschleißfestigkeit verbessern und die Lebensdauer des Karbids verlängern.

2Die Zugabe von Seltenerdelementen hat einen ähnlichen Effekt wie die Erhöhung des Co-Gehalts im Karbid und erhöht dessen thermische Plastizität und Zähigkeit.