Aleación dura de tierras raras y sus propiedades

I. Resumen

El carburo cementado también se conoce como los "dientes" de la industria. Desde sus inicios, como material de herramienta eficiente y material estructural, su campo de aplicación se ha ampliado continuamente, lo que ha jugado un papel importante en la promoción del desarrollo industrial y el progreso científico y tecnológico. En los últimos 20 años, la base de tungsteno-cobalto

Los carburos cementados d se han utilizado ampliamente en el corte de metales, herramientas de formación de metales, perforación minera y piezas de desgaste debido a su alta dureza, tenacidad y excelente resistencia al desgaste en comparación con otras aleaciones duras. .

El carburo cementado tiene una serie de excelentes características de rendimiento: tiene alta dureza y resistencia al desgaste, especialmente valiosa, tiene buena dureza roja, supera la dureza a temperatura normal del acero de alta velocidad a 600 °C y supera al acero al carbono a 1000 °C. Dureza a temperatura normal; tiene buen módulo elástico, generalmente (4~7)×104kg/mm2, buena rigidez a temperatura normal; alta resistencia a la compresión, hasta 600 kg/mm2; buena estabilidad química. Algunos grados de carburo cementado son resistentes a la corrosión ácida y alcalina y no sufren oxidación significativa incluso a altas temperaturas; bajo coeficiente de dilatación térmica. La conductividad térmica y la conductividad son cercanas a las del hierro y las aleaciones de hierro.

De acuerdo con el tamaño de grano promedio de WC en carburo cementado, el carburo cementado se puede dividir en: carburo cementado nanocristalino, carburo cementado de grano ultrafino, carburo cementado de grano submicrónico, carburo cementado de grano fino, carburo cementado de grano medio, carburo cementado de grano grueso, súper grueso carburo cementado granulado.

Los carburos de grano submicrónico y ultrafino tienen una alta dureza y resistencia al desgaste y se utilizan ampliamente en herramientas de corte, hojas de sierra, fresas, estampadores, componentes de vástagos de válvulas, boquillas para equipos de chorro de arena, etc.

El carburo de grano ultragrueso tiene mejor tenacidad y resistencia a la fatiga térmica, y su aplicación en herramientas de minería y excavación se ha desarrollado rápidamente. Las aleaciones de gradiente y los compuestos de carburo y diamante se pueden usar para resaltar ciertas propiedades específicas de acuerdo con los diferentes requisitos de la aplicación, por lo que la aplicación de herramientas y herramientas de minería se ha desarrollado rápidamente.

Las propiedades de los carburos cementados a base de tungsteno-cobalto dependen principalmente del contenido de Co y del tamaño de grano del WC. El carburo cementado de cobalto-cobalto típico tiene un contenido de cobalto de 3 a 30 wt%, y el tamaño de grano de WC varía de submicrónico a varios. Micrón. El desarrollo de la tecnología de síntesis de partículas a nanoescala, especialmente partículas de WC y Co a nanoescala, mejoró enormemente las propiedades mecánicas del carburo cementado nano-WC-Co.

Cuando el grano de WC es más pequeño que el tamaño submicrónico, la resistencia, la dureza, la tenacidad y las propiedades de desgaste de la aleación mejoran considerablemente, y se puede obtener la aleación que tiene una alta densidad mientras se reduce la temperatura de sinterización. Por lo tanto, en el campo del carburo cementado, la conversión de tipos tradicionales a escala ultrafina y nanométrica se ha convertido en su tendencia de desarrollo.

Sin embargo, el crecimiento del grano de WC siempre ha sido un cuello de botella en el desarrollo y la producción de aleaciones de WC-Co ultrafinas. Agregar ciertos aditivos al carburo cementado es una de las formas efectivas de mejorar las propiedades de la aleación. Hay dos tipos principales de aditivos agregados al carburo cementado: uno es un carburo de metal refractario y el otro es un aditivo de metal. El papel del aditivo es reducir la sensibilidad de la aleación a las fluctuaciones de la temperatura de sinterización y la sensibilidad a los cambios en el contenido de carbono, para evitar el crecimiento desigual de los granos de carburo, para cambiar la composición de fase de la aleación, mejorando así la estructura y las propiedades del aleación.

Los aditivos de carburo más utilizados incluyen carburo de cromo (Cr3C2), carburo de vanadio (VC), carburo de molibdeno (Mo2C o Mo C), carburo de cobalto, carburo de tantalio y similares. La elección del inhibidor depende del efecto inhibidor total, y los efectos inhibidores son los siguientes: VC>Cr3C2>Nb C>Ta C>Ti C>Zr/Hf C. Los aditivos metálicos comúnmente utilizados son cromo, molibdeno, tungsteno, renio, elementos de rutenio, cobre, aluminio y tierras raras. La adición de elementos de tierras raras en el carburo cementado no solo inhibe el crecimiento de los granos de WC durante la sinterización, sino que también mejora las propiedades mecánicas y la resistencia al desgaste de la aleación, lo que mejora aún más la vida útil de los productos. En el campo de los carburos cementados, la investigación sobre aditivos de tierras raras ha sido un tema candente, pero la idea general es agregar aditivos de tierras raras que no sean a escala nanométrica para modificar aleaciones duras, pero la adición de aditivos de tierras raras nano rara vez se ha realizado. informado.

The use of the nano rare earth additive is lower than that of the ordinary rare earth additive, and the gap with the WC grain (large circle) is small, and the arrangement is more dense. The size of the ordinary rare earth additive is almost the same as that of WC, so it is easy to form a crack source. Therefore, this experiment uses nano rare earth as an additive to achieve the purpose of not improving the cost and improving the performance. China is rich in rare earth resources. If we use this kind of thinking to develop new technology, make full use of China’s tungsten ore and rare earth resources, research and develop hard alloy rare earth modified materials, improve the production level and development of China’s cemented carbide industry. High-quality and high value-added deep-processed carbide products, improving competitiveness, reversing the unfavorable situation in the international market, and achieving a virtuous cycle of raw materials are of great significance.

2. Aleación dura de tierras raras

The rare earth element is 15 lanthanides of the third subgroup of Mendeleev’s periodic table with atomic numbers ranging from 57 to 71, plus a total of 17 elements, which are similar to those of electronic structures and chemical properties. Rare earth is known as the “treasure house” of new materials, and is a group of elements that scientists at home and abroad, especially material experts, are most concerned about. Due to its special properties, rare earths have been widely used in metallurgical materials, optics, magnetism, electronics, machinery, chemicals, atomic energy, agriculture and light industry. Although rare earths are used as additives and modifiers, their direct output value and profit are not high, but the secondary economic benefits can be increased by tens or even hundreds of times. China’s rare earth resources are abundant, and its reserves rank first in the world, and its comprehensive production capacity ranks second in the world. At home and abroad, the application of rare earths and their compounds is almost everywhere in the national economy. Rare earth has obvious improvement on the performance of cemented carbide. A large number of studies have shown that the addition of rare earth can improve the strength and toughness of cemented carbide to a large extent, so that rare earth-added cemented carbide can be widely used in tool materials and mining tools. , molds, top hammers, etc., have excellent development prospects. The rare earths commonly used as additives are Ce, Y, Pr, La, Sc, Dy, Gd, Nd, Sm, and the like. The addition form is generally an oxide, a pure metal, a nitride, a hydride, a carbide, a rare earth-cobalt intermediate alloy, a carbonate, a nitrate, and the like. The type and morphology of the added rare earth affect the physical and mechanical properties of the cemented carbide.

3. Mecanismo de fortalecimiento y endurecimiento de tierras raras.

La adición de oligoelementos de tierras raras en el carburo cementado no solo inhibe el crecimiento de grano de la aleación durante el proceso de sinterización, sino que también mejora las propiedades mecánicas de la aleación, lo que mejora aún más la vida útil del producto. El mecanismo de fortalecimiento de las tierras raras en el carburo cementado es el siguiente:

(1) Zhang Fenglin et al. cree que cuando la fase γ se enfría de alta temperatura a temperatura ambiente, fcc → hcp es una transición de fase de tipo difusión (asistida por el mecanismo Ms). Entre ellos, las fases γfcc y γhcp representan alrededor de 10%. Dado que la adición de tierras raras puede inhibir la transformación martensítica, se puede reducir el contenido de γhcp en la fase aglomerante. El mecanismo de su inhibición de la transformación de martensita puede deberse a dos razones: una es la dislocación de fijación de óxido de tierras raras, que dificulta el movimiento de dislocación; por otro lado, el óxido de tierras raras se fija en la ubicación del defecto, lo que hace que el núcleo de nucleación ε potencial del embrión se reduzca. De este modo, se reduce la fase frágil ε y se aumenta la fase α de tenacidad.

Wang Ruikun y otros creen que la adición de trazas de tierras raras en los carburos cementados puede inhibir la expansión de las fallas de apilamiento en la fase del aglutinante Co, lo que inhibe la conversión de fcc α-Co→hcp ε-Co (nucleación en capas), lo que hace que fcc α -Co en la aleación. La fracción de volumen aumenta. α-Co tiene 12 sistemas de deslizamiento, mientras que ε-Co tiene solo 3 sistemas de deslizamiento. El carburo cementado de tierras raras se compone principalmente de fcc α-Co, lo que mejorará su capacidad para coordinar la tensión y relajar la tensión, mejorando así su tenacidad.

(2) Efecto sobre la solubilidad sólida de W.

La segregación de tierras raras en la interfaz de fase WC/Co afecta la desolvatación de elementos como W y Ti de Co. Es posible aumentar el contenido de W y Ti en la fase aglutinante, funcionando así como un refuerzo de solución sólida. Pero el mecanismo no está completamente reconocido.

(3) Refinar la organización.

La tierra rara en el carburo cementado se distribuye en la interfaz de WC/Co y WC/WC. La adsorción de elementos de tierras raras en la interfaz definitivamente reducirá la energía interfacial de la interfaz de fase sólido-líquido. Esto puede suprimir el proceso de engrosamiento de los granos de WC durante la sinterización.

(4) Fortalecimiento y endurecimiento de los límites de grano y los límites de fase.

En la fractura de carburo cementado, es principalmente a lo largo de la fractura de la fase de enlace Co, y hay algunas grietas a lo largo del grano WC. Por tanto, su comportamiento de fractura tiene una relación importante con el comportamiento de la interfase WC/Co. La presencia de tierras raras en los carburos cementados se debe principalmente a óxidos o compuestos intermetálicos. La distribución se encuentra principalmente en la interfaz de WC/Co y WC/WC. También se puede encontrar una pequeña cantidad de óxidos de tierras raras en la fase aglutinante. Su forma es principalmente esférica o poliédrica. Debido al papel de las tierras raras en la purificación de los límites de grano y los límites de fase, y la mejora de la resistencia de la interfaz de fase, la tenacidad a la fractura de los carburos cementados de tierras raras mejorará en gran medida.

Debido a las diferentes formas, formas, tipos de tierras raras y métodos de investigación, las conclusiones de la investigación son diferentes y el mecanismo propuesto será diferente e incluso contradictorio. La investigación sobre los carburos cementados endurecidos con tierras raras necesita más estudio.