超硬合金における粒成長抑制剤の応用

超硬合金のWC粒子が0.5μm未満の場合、粒子が細かいほど欠陥が少なく、曲げ強度と硬度が高くなります超微細超硬合金を製造するために使用されるWC粉末の粒径は、一般的な超硬合金に使用されるWC粉末のそれ。 WC粉末は活性が高く、クラック源の一つである焼結過程で結晶粒成長を起こしやすい。

現在、粒度を制御する方法は主に2つあります。

まず、新しい焼結プロセスが採用されています。結果は、1400℃で30秒間焼結した後、数十のナノWC Co複合粉末の緻密化を完了できることを示しており、粒径は0.2μmですが、焼結時間が60秒に延長されると、粒径は急速に成長しますナノWC Co超硬合金複合粉末に使用できる新しい焼結プロセスには、主にマイクロ波焼結、熱間静水圧プレス焼結、放電プラズマ焼結、および2段階焼結が含まれます。

第二に、粒成長の阻害剤を添加して粒成長を阻害する、VC、TACおよびCr3C2がしばしば使用される阻害剤。

この論文では、抑制メカニズム、抑制剤の効果に影響を与える要因、抑制剤の追加方法、一般的に使用される抑制剤、最新の抑制剤の開発、および合金の包括的な特性に対する抑制剤の影響を紹介します。

阻害メカニズムと阻害剤の影響因子

超硬合金の結晶粒成長の原動力は、表面エネルギーの減少にあります。 WCの粒成長は、主にWCの溶解沈殿メカニズムによるものです。つまり、小粒子WCは液相に溶解し、大粒子WCの表面に沈殿します。 WC Co超硬合金の場合、WC粒の粗大化は、粒成長抑制剤の添加によって制限できます。  

阻害剤の添加は、WCの溶解沈殿速度を遅くし、3つの阻害メカニズムがあります。

1.抑制剤は炭化物の粒子の表面に吸着し、WCの表面エネルギーと液相におけるWCの溶解度を低下させます。

2.インヒビターは液体COに溶解し、液体再結晶化によりWCの成長を遅くします。

3. WC界面の移動は、WC / WC界面に沿った阻害剤の分離によって妨げられ、WC粒子の凝集と成長が妨げられました。

阻害剤の阻害効果は、次の要因によって決定されます。

1. WC粉末の粒径を小さくすると、WC Coの粒界領域が大きくなります。インヒビターはWCの表面に広く分布できますが、無制限に大きくすることはできません。それらの限界値は、結合段階での飽和濃度に依存します。

2.コバルト含有量。バインダーの含有量が低く、フリーストロークが短いため、抑制剤は特定の温度でその役割を果たしやすい。

3.粉体混合の均一性。混合粉末中のバインダー相の不均一な分布は、焼結プロセスにおけるWC粒成長に対する抑制剤の効果領域の違いにつながります。混合粉末中の阻害剤の不均一な分布または大きなサイズは、阻害剤が必要とする拡散経路を長くします

4.合金の焼結温度。焼結温度の上昇に伴い、液相中の抑制剤の濃度を高く保つために、液相の量と粒成長抑制剤の含有量を増やす必要があります。したがって、粉末サイズが小さいほど、コバルト含有量は低くなります。粉末混合がより均一であり、焼結温度が低いほど、抑制剤の抑制効果はより優れています。

穀物成長阻害剤の方法を追加する

阻害剤は主に3つの方法で追加されます。

1. WC、CO、粒成長抑制剤を湿式粉砕工程で混合した。

2.炭化前に、粒成長抑制剤に相当する酸化物を混合した。

3. 3番目の方法は、抑制剤の塩溶液を青色タングステンまたは黄色タングステンと湿式混合し、還元前に青色タングステンまたは黄色タングステンでコーティング粉末を形成し、さらに熱分解および還元を行う方法です。

粒成長抑制剤の種類

遷移金属炭化物

遷移金属炭化物は、結晶粒成長の一般的な阻害剤です。 WC粒子の抑制における遷移金属炭化物の効果は、それら自身の熱力学的安定性に関連しています。それらの熱力学的安定性の順序は、VC> Cr3C2> NBC> TAC> tic> ZrC> HFCです。しかしながら、炭化物の種類ごとに添加できる最大量があり、それはWC粒子の成長を阻害することにさらなる影響を与えない。ある温度での炭化物添加剤の量は、バインダー相の炭化物の飽和濃度とバインダー相の含有量に依存します。表2に、CO相へのさまざまな添加剤の溶解度を示します。表から、VCとCr3C2はCO相への溶解度が最も高く、二元共晶温度が最も低いため、WC Co粒成長抑制剤として広く使用されています。

希土類元素

希土類元素は一般的な添加剤の1つであり、粒成長を抑制し、組織分布を改善し、粒界を浄化し、超硬合金の強化と強化に効果的な役割を果たします。同時に、希土類は超硬合金の焼結温度を下げることもできるため、粒成長の制御と焼結緻密化の矛盾を解決できます。合金表面のマクロ圧縮応力の増加は、希土類酸化物の添加によるWC Co超硬合金の強度の増加の重要な理由でもあります。

ホウ素とリン

ホウ素を含む超硬合金の焼結温度は1340℃まで下げることができ、焼結温度の低下に伴い、合金のミクロ粒子が明らかに微細化され、これは合金性能の向上につながり、ホウ素の添加は、結合相とWC相の濡れ性にほとんど影響せず、合金の曲げ強度は影響を受けません。 WC Coの焼結温度は、少量のNiおよびP粉末を添加することにより、1050〜1100℃に下げることができます。メカニズムは、Ni-Pの共晶温度がCoの融点よりもはるかに低いことです。NiとPを追加した後、液相はより低い温度で表示され、固体粒子の溶解と沈殿、およびフレームワークが事前に発生し、焼結プロセスがより十分であるため、WC粒子の成長が抑制されます。

銅モリブデン金属抑制剤

wc-13fe / Co / Ni超硬合金に少量のCuを添加すると、球状化WC粒子を微細化できます。これは主に、Cuが焼結プロセス中にFe / Co / Niバインダーに溶解し、バインダーへのWCの溶解度が低下するため、溶解再沈殿プロセス中の結晶粒成長速度が低下するためです。また、銅はWC粒子を球状化します。超硬合金の焼結プロセスでは、超硬相の周りにモリブデンがコーティングされています。これにより、超硬相と超硬相の間の濡れ性が向上し、超硬相の粒子が微細化されます。

合金の性質に及ぼす結晶粒成長抑制剤の影響

合金の特性に対する結晶粒成長抑制剤の影響は、主に合金の硬度と曲げ強度に反映されます。添加剤が異なれば、結晶粒のサイズを抑制するメカニズムも異なるため、粒子成長の抑制剤が特性に及ぼす影響は異なります。

遷移金属炭化物

VC、Cr 3C 2およびその他の添加剤を添加すると、WC Co超硬合金の耐熱性と耐摩耗性を効果的に改善できます。さらに、添加剤が適切な場合、合金の高温強度と高温硬度は効果的に向上できますが、合金の室温強度は低下し、合金は脆くなります。したがって、添加剤の量は特定の範囲内に制御する必要があります。たとえば、WC-6% COおよびWC-10% Co合金の場合、cr2c3を追加すると、合金の室温曲げ強度が低下しました。 Cr 2C 3の含有量が0.3%〜0.5%（CO含有量の質量分率）の場合、高Co合金の室温曲げ強度は明らかに影響を受けませんが、低Co合金の場合、室温曲げ強度は明らかに減少します。 TACとNBCを追加しても同じ結果になりますwc-6.5% Co超硬合金の微細構造と特性に対するVCの影響が見つかりました。 VCはWC粒子の成長を抑制し、その結果、明らかな結晶粒微細化をもたらし、粒子サイズの分布を狭めることがわかりました。粒径は、VCを追加しない場合の0.5-1μmから2.0% VCを追加する場合の0.15μmに減少しました。同時に、VCを添加することにより合金の硬度が大幅に向上し、VC含有量が2.0%の場合の最大値は94.1 HRAです。ただし、合金の強度も低下させます。VC含有量が0.5%の場合、合金の硬度と靭性は93.0hraと11.2MPa・M 1/2であり、総合的な特性は最高です。 TACの添加により、WC粒子の過度の成長を防ぐだけでなく、合金の炭素含有量を減らすことができます

希土類元素

WC-20（Fe / Co / Ni）合金の硬度は、希土類含有量の増加とともに増加しました。希土類の添加はw-co-ti合金の特性を改善し、特にShejinの耐衝撃性を改善します。同時に、希土類は（Ti、w）C固溶体の結晶粒の凝集と成長を抑制し、結晶粒を微細化します。 WC Ni合金に希土類酸化物を添加すると、希土類酸化物の分散強化により結合相Niの強度が高まる。希土類含有量が結合金属含有量の1.2%〜1.6%の場合、合金の曲げ強度は最大値に達します（CeO 2を追加した場合は1680mpa、Y2O3を追加した場合は1900mpa）。 WC-8% Co合金の曲げ強度は、混合希土類酸化物の0.25%〜1.00%を追加することによってある程度増加し、希土類酸化物の0.25%〜0.50%を追加すると11.5%増加する可能性があります。ただし、希土類を過剰に添加すると、曲げ強度が低下します。したがって、希土類元素を含む超硬合金の曲げ強度を大幅に向上させることができる。

Cu＆Mo金属抑制剤

超硬合金に少量の銅を添加すると、合金の強度が向上するだけでなく、合金の衝撃靭性も向上します。

WC-13% Fe / Co / Niに少量の銅を添加すると、合金の硬度が低下し、曲げ強度が大幅に向上します。銅の量が約0.8%の場合、合金の曲げ強度と硬度はそれぞれ2370 MPaとhra84.4です。下の表3を参照してください。 WC CoにMoを添加すると、Moの添加量の増加に伴い曲げ強度とインドが増加しました。曲げ強度は、Mo添加量が5%のときに最大値に達し、Mo添加量が7.5%のときにピーク値19.25gpaに達した。ただし、Moの量が5%を超えると、金属間化合物COの存在によるサンプルの脆化が原因で、曲げ強度が徐々に低下します。₃（月、w）₃C.