一般に、炭化物の耐摩耗性を向上させると炭化物の靱性は低下し、炭化物の靱性を高めると耐摩耗性は低下します。耐摩耗性と靭性は相反するものです。この矛盾をどのように解決するかが、今日のカーバイド生産における大きな課題となっています。テストを通じて、炭化物の採掘に微量希土類元素を添加すると、この問題に効果的に対処できることがわかりました。

カーバイド採掘における希土類元素の影響に影響を与える要因

当社工場の鉱山用超硬 MTY25 を選択し、湿式粉砕前に希土類元素の混合物を加えて MTY25R と呼ばれるブレンドを調製しました。これらは両方とも高温焼結され、性能テスト用の実験材料が作成されました。

表 1 から、希土類元素の添加により、硬度、密度、磁気特性への影響を最小限に抑えながら、採掘用炭化物の曲げ強度と衝撃靱性値が向上したことがわかります。このことは、希土類元素を含有させることにより、結合相の塑性変形能力が向上し、界面における硬質相との結合強度が向上することを示している。

炭化物に希土類元素を添加すると、炭化物に不純物元素が豊富になり、界面不純物の分布が改善され、粒界が浄化され、結合相が強化され、Co 相の組成が変化します。私たちは、結合相の Co マトリックスを強化することとは別に、希土類元素は主に Co の相変態を阻害すると考えています。

MTY25R および MTY25 マイニングカーバイドに電解溶解法を適用し、WC の表層を選択的に溶解し、X 線定量分析用に Co 相を残しました。希土類元素の添加により、炭化物中の延性α-Coの含有量が約60%から90%以上に増加し、Co相の可塑性が大幅に向上することがわかりました。結果として、この改善により、炭化物の曲げ強度と衝撃靱性が向上します。

実験データによる結果の検証

実際の使用時における希土類元素の添加ありとなしの炭化物の性能の違いを理解するために、次の 2 つのステップを実行しました。

1 動作条件下でのカーバイドの性能変化をシミュレートし、カーバイドの性能に対する希土類元素の影響を判断するために、動的熱シミュレーション テストが実施されました。

2炭化物の耐用年数を評価するために、鉱山生産現場でフィールド試験が実施されました。中国の中南大学で高温動的熱シミュレーション試験を実施しました（表2参照）。

試験結果は、炭化物に希土類元素を添加すると、炭化物の熱強度が低下する一方で、その熱可塑性と高温靱性（応力-ひずみ曲線の下の総面積で表される）が向上することを示しています。この効果は、Co 含有量の増加と同様です。希土類元素を含む炭化物は優れた熱可塑性と靭性を示し、高温環境における複雑な熱応力塑性変形の違いにうまく適応できます。したがって、希土類元素を添加した炭化物は、使用時の性能を向上させ、耐摩耗性を高め、耐用年数を延ばすことができます。

表 3 の結果は、希土類元素を添加した MTY25R カーバイドは、希土類元素を含まない MTY25 カーバイドと比較して耐用年数と耐摩耗性の両方が向上していることを示しています。特に鹿谷鉄鉱山での試験ではMTY25R超硬が優れた性能を発揮しました。

鹿谷鉄鉱山は、中国で最も硬い岩石があることで知られる場所の 1 つです。通常、この地域での鉱石採掘には厚さ 16 mm のカーバイド インサートを備えたドリルビットが使用されますが、テストで使用したカーバイド インサートの厚さは 10 mm でした。しかし、実験全体を通して、希土類元素添加超硬インサートでは超硬破壊の事例は観察されませんでした。これらのインサートの耐用年数も、希土類元素を含まないインサートと比較して大幅に延長されました。これは、希土類元素の添加により実際に炭化物の曲げ強度と衝撃靱性が向上し、実際の用途での性能が向上するという結論を強く裏付けています。

結論

1 炭化物の採掘に特定の量および形式の希土類元素を添加すると、炭化物の曲げ強度と衝撃靱性が向上し、耐摩耗性が向上し、炭化物の耐用年数が長くなります。

2 希土類元素の添加は、炭化物中の Co 含有量を増加させるのと同様の効果があり、その熱可塑性と靭性が向上します。