Alliage dur de terres rares et ses propriétés

Aperçu

Le carbure cémenté est également connu comme les «dents» de l'industrie. Depuis sa création, en tant que matériau d'outil efficace et matériau de structure, son champ d'application n'a cessé de s'étendre, ce qui a joué un rôle important dans la promotion du développement industriel et du progrès scientifique et technologique. Au cours des 20 dernières années, la base de tungstène-cobalt

Les carbures cémentés ont été largement utilisés dans la coupe des métaux, les outils de formage des métaux, le forage minier et les pièces d'usure en raison de leur dureté élevée, de leur ténacité et de leur excellente résistance à l'usure par rapport à d'autres alliages durs. .

Le carbure cémenté présente une série d'excellentes caractéristiques de performance: il a une dureté et une résistance à l'usure élevées, particulièrement précieuses, il a une bonne dureté rouge, dépasse la dureté à la température normale de l'acier rapide à 600 ° C et dépasse l'acier au carbone à 1000 ° C. Dureté à température normale; a un bon module élastique, généralement (4 ~ 7) × 104kg / mm2, une bonne rigidité à température normale; haute résistance à la compression, jusqu'à 600 kg / mm2; bonne stabilité chimique, Certaines qualités de carbure cémenté résistent à la corrosion acide et alcaline et ne subissent pas d'oxydation importante même à des températures élevées; faible coefficient de dilatation thermique. La conductivité thermique et la conductivité sont proches de celles du fer et des alliages de fer.

Selon la taille moyenne des grains de WC dans le carbure cémenté, le carbure cémenté peut être divisé en: carbure cémenté nanocristallin, carbure cémenté à grain ultrafin, carbure cémenté à grain submicronique, carbure cémenté à grain fin, carbure cémenté à grain moyen, carbure cémenté à grain grossier, super grossier carbure cémenté grainé.

Les carbures à grains inférieurs au micron et ultra-fins ont une dureté et une résistance à l'usure élevées et sont largement utilisés dans les outils de coupe, les lames de scie, les fraises, les emboutisseurs, les composants de tige de soupape, les buses pour l'équipement de sablage, etc.

Le carbure à grain ultra-épais a une meilleure ténacité et une meilleure résistance à la fatigue thermique, et son application dans les outils d'extraction et d'excavation s'est développée rapidement. Les alliages à gradient et les composites carbure-diamant peuvent être utilisés pour mettre en évidence certaines propriétés spécifiques en fonction des différentes exigences d'application, de sorte que l'utilisation d'outils et d'outils d'extraction s'est développée rapidement.

Les propriétés des carbures cémentés à base de tungstène-cobalt dépendent principalement de la teneur en Co et de la granulométrie des WC. Le carbure cémenté cobalt-cobalt typique a une teneur en cobalt de 3 à 30 wt%, et la granulométrie WC varie de submicron à plusieurs. Micron. Le développement de la technologie de synthèse des particules à l'échelle nanométrique, en particulier les particules WC et Co à l'échelle nanométrique, a considérablement amélioré les propriétés mécaniques du carbure cémenté nano-WC-Co.

Lorsque le grain WC est plus petit que la taille submicronique, la résistance, la dureté, la ténacité et les propriétés d'usure de l'alliage sont grandement améliorées, et l'alliage ayant une densité élevée peut être obtenu tout en abaissant la température de frittage. Par conséquent, dans le domaine du carbure cémenté, la conversion des types traditionnels en ultra-fine et nano-échelle est devenue sa tendance de développement.

Cependant, la croissance des grains de WC a toujours été un goulot d'étranglement dans le développement et la production d'alliages WC-Co ultra-fins. L'ajout de certains additifs au carbure cémenté est l'un des moyens efficaces d'améliorer les propriétés de l'alliage. Il existe deux principaux types d'additifs ajoutés au carbure cémenté: l'un est un carbure métallique réfractaire et l'autre est un additif métallique. Le rôle de l'additif est de réduire la sensibilité de l'alliage aux fluctuations de température de frittage et la sensibilité aux changements de la teneur en carbone, d'empêcher la croissance inégale des grains de carbure, de changer la composition de phase de l'alliage, améliorant ainsi la structure et les propriétés du alliage.

Les additifs au carbure les plus couramment utilisés comprennent le carbure de chrome (Cr3C2), le carbure de vanadium (VC), le carbure de molybdène (Mo2C ou Mo C), le carbure de cobalt, le carbure de tantale et similaires. Le choix de l'inhibiteur dépend de l'effet inhibiteur total et les effets inhibiteurs sont les suivants: VC> Cr3C2> Nb C> Ta C> Ti C> Zr / Hf C.Les additifs métalliques couramment utilisés sont le chrome, le molybdène, le tungstène, le rhénium, éléments en ruthénium, cuivre, aluminium et terres rares. L'ajout d'éléments de terres rares dans le carbure cémenté inhibe non seulement la croissance des grains de WC pendant le frittage, mais améliore également les propriétés mécaniques et la résistance à l'usure de l'alliage, améliorant ainsi encore la durée de vie des produits. Dans le domaine des carbures cémentés, la recherche sur les additifs de terres rares a été un sujet brûlant, mais l'idée générale est d'ajouter des additifs de terres rares non nanométriques pour modifier les alliages durs, mais l'ajout d'additifs de terres nano rares a rarement été signalé.

L'utilisation de l'additif de terre rare nano est inférieure à celle de l'additif de terre rare ordinaire, et l'écart avec le grain WC (grand cercle) est petit, et l'arrangement est plus dense. La taille de l'additif de terre rare ordinaire est presque la même que celle du WC, il est donc facile de former une source de fissure. Par conséquent, cette expérience utilise des nano terres rares comme additif pour atteindre l'objectif de ne pas améliorer le coût et d'améliorer les performances. La Chine est riche en ressources de terres rares. Si nous utilisons ce type de réflexion pour développer de nouvelles technologies, tirer pleinement parti des ressources de minerai de tungstène et de terres rares de la Chine, rechercher et développer des alliages durs de terres rares modifiées, améliorer le niveau de production et le développement de l'industrie chinoise du carbure cémenté. Les produits en carbure de haute qualité et à haute valeur ajoutée, l'amélioration de la compétitivité, l'inversion de la situation défavorable sur le marché international et la réalisation d'un cycle vertueux des matières premières sont d'une grande importance.

2. Alliage dur de terres rares

L'élément de terre rare est composé de 15 lanthanides du troisième sous-groupe du tableau périodique de Mendeleev avec des numéros atomiques allant de 57 à 71, plus un total de 17 éléments, qui sont similaires à ceux des structures électroniques et des propriétés chimiques. Les terres rares sont connues comme la «maison du trésor» des nouveaux matériaux et constituent un groupe d'éléments qui préoccupent le plus les scientifiques nationaux et étrangers, en particulier les experts en matériaux. En raison de leurs propriétés particulières, les terres rares ont été largement utilisées dans les matériaux métallurgiques, l'optique, le magnétisme, l'électronique, les machines, les produits chimiques, l'énergie atomique, l'agriculture et l'industrie légère. Bien que les terres rares soient utilisées comme additifs et modificateurs, leur valeur de production directe et leur profit ne sont pas élevés, mais les avantages économiques secondaires peuvent être multipliés par des dizaines, voire des centaines. Les ressources en terres rares de la Chine sont abondantes, ses réserves se classent au premier rang mondial et sa capacité de production complète se classe au deuxième rang mondial. Au pays et à l'étranger, l'application des terres rares et de leurs composés est presque partout dans l'économie nationale. Les terres rares présentent une amélioration évidente des performances du carbure cémenté. Un grand nombre d'études ont montré que l'ajout de terres rares peut améliorer dans une large mesure la résistance et la ténacité du carbure cémenté, de sorte que le carbure cémenté additionné de terres rares peut être largement utilisé dans les matériaux d'outils et les outils miniers. , moules, marteaux-pilons, etc., ont d'excellentes perspectives de développement. Les terres rares couramment utilisées comme additifs sont Ce, Y, Pr, La, Sc, Dy, Gd, Nd, Sm, etc. La forme d'addition est généralement un oxyde, un métal pur, un nitrure, un hydrure, un carbure, un alliage intermédiaire terre rare-cobalt, un carbonate, un nitrate, etc. Le type et la morphologie de la terre rare ajoutée affectent les propriétés physiques et mécaniques du carbure cémenté.

3. Mécanisme de renforcement et de durcissement des terres rares

L'ajout d'éléments traces de terres rares dans le carbure cémenté non seulement inhibe la croissance des grains de l'alliage pendant le processus de frittage, mais améliore également les propriétés mécaniques de l'alliage, améliorant ainsi encore la durée de vie du produit. Le mécanisme de renforcement des terres rares sur carbure cémenté est le suivant:

(1) Zhang Fenglin et al. croient que lorsque la phase γ est refroidie de la température élevée à la température ambiante, fcc → hcp est une transition de phase de type diffusion (assistée par le mécanisme Ms). Parmi eux, les phases γfcc et γhcp représentent environ 10%. Étant donné que l'ajout de terres rares peut inhiber la transformation martensitique, la teneur en γhcp dans la phase liante peut être réduite. Le mécanisme de son inhibition de la transformation de la martensite peut être dû à deux raisons: l'une est la luxation de l'épinglage d'oxyde de terre rare, qui entrave le mouvement de luxation; d'autre part, l'oxyde de terre rare est épinglé à l'emplacement du défaut, ce qui rend le noyau de nucléation ε potentiel L'embryon est réduit. Ainsi, la phase fragile ε est réduite et la phase de ténacité a est augmentée.

Wang Ruikun et d'autres pensent que l'ajout de traces de terres rares dans les carbures cémentés peut inhiber l'expansion des défauts d'empilement dans la phase de liant Co, inhibant ainsi la conversion de fcc α-Co → hcp ε-Co (nucléation en couches), ce qui rend fcc α -Co dans l'alliage. La fraction volumique augmente. α-Co a 12 systèmes de glissement, tandis que ε-Co n'a que 3 systèmes de glissement. Le carbure cémenté de terres rares est principalement composé de fcc α-Co, ce qui améliorera sa capacité à coordonner la déformation et à détendre la contrainte, améliorant ainsi sa ténacité.

(2) Effet sur la solubilité solide W.

La ségrégation des terres rares à l'interface de la phase WC / Co affecte la désolvatation d'éléments tels que W et Ti de Co. Il est possible d'augmenter la teneur en W et Ti dans la phase liante, fonctionnant ainsi comme un renforcement de solution solide. Mais le mécanisme n'est pas pleinement reconnu.

(3) Affiner l'organisation.

La terre rare dans le carbure cémenté est distribuée à l'interface de WC / Co et WC / WC. L'adsorption d'éléments de terres rares à l'interface réduira certainement l'énergie interfaciale de l'interface de phase solide-liquide. Cela peut supprimer le processus de grossissement des grains de WC pendant le frittage.

(4) Renforcement et durcissement des joints de grains et des joints de phases.

Dans la fracture du carbure cémenté, c'est principalement le long de la fracture de la phase de liaison Co, et il y a quelques fissures le long du grain WC. Par conséquent, son comportement à la rupture a une relation importante avec le comportement de l'interface WC / Co. La présence de terres rares dans les carbures cémentés est principalement due aux oxydes ou aux composés intermétalliques. La distribution se fait principalement à l'interface de WC / Co et WC / WC. Une petite quantité d'oxydes de terres rares peut également être trouvée dans la phase liante. Sa forme est principalement sphérique ou polyédrique. En raison du rôle de la terre rare dans la purification des joints de grains et des joints de phase, et de l'amélioration de la résistance de l'interface de phase, la ténacité à la rupture des carbures cémentés de terre rare sera grandement améliorée.

En raison des différentes manières, formes, types de terres rares et méthodes de recherche, les conclusions de la recherche sont différentes et le mécanisme proposé sera différent et même contradictoire. La recherche sur les carbures cémentés durcis aux terres rares doit être approfondie.