希土類硬質合金とその特性-MeetyouCarbide

I.概要

超硬合金は、業界の「歯」としても知られています。創業以来、効率的な工具材料および構造材料として、その応用分野は継続的に拡大されており、産業の発展と科学技術の進歩を促進する上で重要な役割を果たしてきました。過去20年間で、タングステン-コバルトベース

d超硬合金は、他の硬質合金に比べて硬度、靭性、耐摩耗性に優れているため、金属切削、金属成形工具、採掘、摩耗部品に広く使用されています。。

超硬は一連の優れた性能特性を持っています：それは高い硬度と耐摩耗性を持ち、特に価値があり、良好な赤色硬度を持ち、600°Cで高速度鋼の常温硬度を超え、1000°Cで炭素鋼を超えます。常温硬度;弾性率が良く、通常（4〜7）×104kg / mm2、常温での剛性が良い。最大600kg/mm2の高い圧縮強度。優れた化学的安定性、一部のグレードの超硬合金は、酸およびアルカリ腐食に耐性があり、高温でも大きな酸化を受けません。熱膨張係数が低い。熱伝導率と伝導率は鉄や鉄合金のものに近いです。

セメントカーバイドのWCの平均粒子サイズによると、セメントカーバイドは、ナノ結晶セメントカーバイド、超微粒子セメントカーバイド、サブミクロングレインセメントカーバイド、ファイングレインセメントカーバイド、ミディアムグレインセメントカーバイド、コースグレインセメントカーバイド、スーパーコースに分類できます。グレインセメントカーバイド。

サブミクロンおよび超微細粒の炭化物は、硬度と耐摩耗性が高く、切削工具、鋸刃、フライス盤、スタンパー、バルブステムコンポーネント、サンドブラスト装置のノズルなどに広く使用されています。

超厚粒炭化物は靭性と耐熱疲労性に優れており、鉱業・掘削工具への応用が急速に進んでいます。グラデーション合金とカーバイド-ダイヤモンド複合材料を使用して、さまざまなアプリケーション要件に応じて特定の特性を強調できるため、ツールとマイニングツールのアプリケーションが急速に発展しています。

タングステンコバルトベースの超硬合金の特性は、主にCoの含有量とWCの結晶粒径に依存します。典型的なコバルト-コバルト超硬合金のコバルト含有量は3〜30 wt%で、WCの粒径はサブミクロンから数個の範囲です。ミクロン。ナノスケールの粒子合成技術、特にナノスケールのWCおよびCo粒子の開発により、ナノWC-Co超硬合金の機械的特性が大幅に改善されました。

WC結晶粒がサブミクロンサイズよりも小さい場合、合金の強度、硬度、靭性、摩耗特性が大幅に向上し、焼結温度を下げながら高密度の合金を得ることができます。そのため、超硬合金の分野では、従来型から超微細・ナノスケールへの転換が開発のトレンドとなっています。

しかし、WC粒子の成長は、超微細WC-Co合金の開発と製造におけるボトルネックでした。超硬合金に特定の添加剤を加えることは、合金の特性を改善する効果的な方法の1つです。超硬合金に添加される添加剤には、主に2つのタイプがあります。1つは高融点金属炭化物で、もう1つは金属添加剤です。添加剤の役割は、焼結温度の変動に対する合金の感度と炭素含有量の変化に対する感度を低下させ、炭化物粒子の不均一な成長を防ぎ、合金の相組成を変化させ、それによって合金の構造と特性を改善することです。合金。

最も一般的に使用される炭化物添加剤には、炭化クロム（Cr3C2）、炭化バナジウム（VC）、炭化モリブデン（Mo2CまたはMo C）、炭化コバルト、炭化タンタルなどがあります。抑制剤の選択は、総抑制効果に依存し、抑制効果は次のとおりです。VC> Cr3C2> Nb C> Ta C> Ti C> Zr / HfC。一般的に使用される金属添加剤は、クロム、モリブデン、タングステン、レニウム、ルテニウム、銅、アルミニウム、希土類の元素。超硬合金に希土類元素を添加すると、焼結中のWC粒子の成長が抑制されるだけでなく、合金の機械的特性と耐摩耗性が向上し、製品の耐用年数がさらに向上します。超硬合金の分野では、レアアース添加剤の研究が注目されていますが、一般的な考え方は、非ナノスケールのレアアース添加剤を添加して硬質合金を改質することですが、ナノレアアース添加剤の添加はめったにありません。報告。

ナノ希土類添加剤の使用量は、通常の希土類添加剤よりも少なく、WC粒子（大円）との隙間が少なく、配列が密です。通常の希土類添加剤のサイズはWCとほぼ同じなので、クラック源を形成しやすい。そこで、今回の実験ではナノ希土類を添加剤として使用し、コストアップではなく性能向上という目的を達成しました。中国はレアアース資源が豊富です。このような考え方で新しい技術を開発し、中国のタングステン鉱石と希土類資源を十分に活用し、硬質合金の希土類改質材料を研究開発し、中国の超硬合金産業の生産レベルと発展を向上させます。高品質で高付加価値の深加工超硬製品、競争力の向上、国際市場の不利な状況の逆転、原材料の好循環の実現は大きな意義があります。

2.レアアース硬質合金

希土類元素は、原子番号が 57 から 71 のメンデレーエフ周期表の第 3 亜族の 15 のランタニドと、電子構造や化学的性質に類似した合計 17 の元素です。レアアースは新素材の「宝庫」と呼ばれ、国内外の科学者、特に材料の専門家が最も関心を寄せる元素群です。レアアースは、その特殊な特性により、冶金材料、光学、磁気、エレクトロニクス、機械、化学、原子力、農業、軽工業で広く使用されています。希土類は添加物や改質剤として使用されていますが、直接の生産価値と利益は高くありませんが、二次的な経済的利益は数十倍、数百倍に増加する可能性があります。中国の希土類資源は豊富で、その埋蔵量は世界第 1 位であり、総合的な生産能力は世界第 2 位です。国内でも国外でも、レアアースとその化合物の適用は、国家経済のほぼすべての場所で行われています。希土類は、超硬合金の性能を明らかに改善します。多数の研究により、レアアースの添加が超硬合金の強度と靭性を大幅に改善できることが示されているため、レアアースを添加した超硬合金は工具材料と採掘工具に広く使用できます。、金型、トップハンマーなど、優れた開発見通しを持っています。添加物として一般的に使用される希土類は、Ｃｅ、Ｙ、Ｐｒ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍなどである。付加形態は、一般に、酸化物、純金属、窒化物、水素化物、炭化物、希土類コバルト中間合金、炭酸塩、硝酸塩などである。追加された希土類の種類と形態は、超硬合金の物理的および機械的特性に影響を与えます。

3.希土類の強化と強化のメカニズム

超硬合金に微量の希土類元素を添加すると、焼結プロセス中の合金の結晶粒成長が抑制されるだけでなく、合金の機械的特性が向上し、製品の耐用年数がさらに向上します。超硬合金上の希土類の強化メカニズムは次のとおりです。

（1）Zhang Fenglinetal。 γ相が高温から室温に冷却されるとき、fcc→hcpは拡散型（Msメカニズムによって支援される）の相転移であると信じています。その中で、γfccとγhcp相が約10%を占めています。希土類の添加はマルテンサイト変態を阻害する可能性があるため、バインダー相のγhcpの含有量を減らすことができます。マルテンサイト変態の抑制のメカニズムは、2つの理由による可能性があります。1つは、転位の動きを妨げる希土類酸化物のピン止め転位です。一方、希土類酸化物は欠陥位置に固定され、潜在的なε核形成核を形成します。胚は減少します。これにより、脆性ε相が減少し、靭性α相が増加する。

Wang Ruikunらは、超硬合金に微量の希土類を添加すると、Coバインダー相の積層欠陥の拡大を抑制し、それによってfccα-Co→hcpε-Co（層状核生成）の変換を抑制し、fccαを生成できると考えています。 -合金中のCo。体積分率が増加します。 α-Coには12のスリップシステムがありますが、ε-Coには3つのスリップシステムしかありません。レアアース超硬合金は主にfccα-Coで構成されており、ひずみを調整して応力を緩和する能力を向上させ、靭性を向上させます。

（2）W固溶度への影響。

WC / Co相界面での希土類の偏析は、CoからのWやTiなどの元素の脱溶媒和に影響を与えます。バインダー相のWやTiの含有量を増やし、固溶体強化として機能させることができます。しかし、そのメカニズムは完全には認識されていません。

（3）組織を洗練する。

超硬合金中の希土類は、WC/CoとWC/WCの界面に分布しています。界面での希土類元素の吸着は、固液相界面の界面エネルギーを確実に減少させます。これにより、焼結中のWC粒子の粗大化プロセスを抑制することができます。

（4）粒界および相境界の強化および強化。

超硬合金の破壊では、主にCo結合相の破壊に沿っており、WC粒子に沿っていくつかの亀裂があります。したがって、その破壊挙動は、WC/Coインターフェースの挙動と重要な関係があります。超硬合金に希土類が存在するのは、主に酸化物または金属間化合物が原因です。配布は主にWC/CoとWC/WCのインターフェースで行われます。少量の希土類酸化物もバインダー相に含まれています。その形状は主に球形または多面体です。粒界および相境界の浄化における希土類の役割、および相界面の強度の向上により、希土類超硬合金の破壊靭性が大幅に向上します。

方法、形態、希土類の種類、研究方法が異なるため、研究の結論は異なり、提案されたメカニズムも異なり、矛盾することさえあります。希土類強化超硬合金の研究には、さらなる研究が必要です。