高強度鐵鎳代鈷硬質合金的研發

【摘要】鎢鈷硬質合金是常用的硬質合金材料。它的優異效能被廣泛用於工業生產,但是其鈷稀少和昂貴受到了限制,人們一直想用其它的材料代替,從而對鈷的同一族元素鐵鎳進行了研究。對WC-F-NI系粉末冶金的工藝和效能研究表明,在新增劑的作用下,可優化組織結構,並在真空及適宜的製備、壓制及燒結下,可獲得緻密且有較高抗彎強度的材料,如類比YG20C材料,其A標尺抗彎強度бbb≥2400Mpa,硬度HRA≥82的優異效能。 
　　【關鍵詞】硬質合金 鐵鎳代鈷 新增劑 
　　 
　　綜述 
　　對冷墩冷沖模的研究,其主要破壞形式有兩種,一種是磨損破壞,主要是在不斷反覆的鐓衝下,工件與模具的摩擦而造成磨具的磨損,尺寸超差所造成的破壞,另一種是開裂破壞,主要原因是在反覆衝擊下,使模具疲勞開裂.。在眾多的情況下,開裂是模具的主要破壞形式。強化模具的耐疲勞效能及抗衝擊性能成為使用壽命的主要途徑。對硬質合金而言,就是在合金的左支線上加大自由程的長度,以提高強度,同時合金硬度有所下降。合金的硬度是模具有良好耐磨性的保證。高的硬度而使模具脆性加大,抗衝擊性就降低,導致了模具易開裂,低的硬度滿足不了使用要求。既要保持高的硬度值又要滿足合金模具的抗彎強度足夠高,在選材上是非常重要的。在合金的選材中,高鈷合金YG20或YG20C就成為冷墩冷沖模具的首選材料,在工業中廣泛應用,而實踐證明YG20及YG20C材料的破壞很少是尺寸磨損的問題,而經常是第二種形式的破壞—開裂破壞,所以要想提高模具的使用壽命,就歸結為提高材料的抗彎強度和抗衝擊性能。 

　　高鈷硬質合金的抗彎強度及抗衝擊性能比低鈷合金要好的多,但也加大了合金的成本。雖然選用高鈷硬質合金YG20及YG20C是冷墩冷沖模具材料的首選,其綜合性能也比其它合金要好,實踐也證明了這一點。應用廣泛的YG20和YG20C冷墩冷沖模具其常見的破壞形式仍然是開裂破壞,同時,由於鈷的價格昂貴,其應用也受到了限制。如何能研製出一種既經濟,效能又好的材料來替代鈷是合金行業所追求的一個目標。 
　　目前,Fe、Ni作為膠結相也常出現在硬質合金材料中,但仍不能完全代替鈷。Fe、Co、Ni為同一族元素,與WC組成的相圖也十分相似,對WC的潤溼性,在真空中鈷、鎳一樣,潤溼角等於零,而鐵較差,溶解度也不一樣,Ni溶WC為12~20%,Co為10~15%,而Fe最小,其必然影響到燒結時的重結晶速度、膠結相與WC的膠結強度及晶粒大小,從而影響合金強度效能。因而改善潤溼性也將成為提高合金強度的一個有效手段。 
　　在Fe中加入一定數量的Ni,可以改善膠結相對WC的潤溼性,同時,Fe與Ni形成無限固溶體,可使Fe得到強化。實踐表明, 
　　根據上述論述及調研結果,針對冷墩冷沖模常見的破壞形式,以Fe-Ni-Co為主要粘結相使合金組織結構改善,強化合金效能,研製高強度鐵鎳代鈷的強度材料。 
　　 
　　1 實驗過程 
　　1配料球磨:WC70%-FeNiCo30%,粒度-200目,C量為補充量。球料比3:1,溼磨20h,真空乾燥,摻膠制粒。 
　　2壓制和燒結:壓制A標樣5×5×30mm及釘夾模。實驗壓制確定適宜的壓制壓力150-350Mpa和收縮係數1.18-1.25,真空燒結1360-1400℃。 
　　 
　　2 實驗結果 
　　1燒結結果 
　　Ts℃1360 1370 1380 1400 
　　ρ 12.3712.4112.4212.35 
　　бbb 26302882 2560 2316 
　　HRA82.382.882.8 82.7 
　　2應用結果 
　　在制鋼釘企業7個品種百餘套連續考核結果表明使用壽命高於YG20C的使用壽命5.5倍,無裂紋破壞。

3 結果分析 
　　1該合金燒結的緻密化過程 
　　影響緻密化過程的必要因素就是液-固相間的潤溼角,液體的毛細管壓力隨著對WC顆粒的潤溼角的降低而提高,因而液相填充小孔的能力隨著對固相的潤溼角的降低而改善。其次為液相的數量,當液相數量不超過50%時,毛細管壓力隨著液相數量的增加而提高。同時,WC顆粒的流動阻力則隨其增加而降低。就此材料而言,其膠結相成份為30%左右,且Ni、Co溶WC能力較大,因此,WC的溶解速度加快,增加了燒結的液相,通常液相數量保持在15~36%為宜,由此,足以保證緻密化過程有足夠的液相。保證了WC顆粒在液相的包覆下流動,完成溶解、析出、固相燒結三過程,使其完全緻密化,最終達到燒結的目的。在實驗中,有微細缺陷的合金完全彌合,在低倍組織觀察及探傷檢測無任何缺陷,說明此材料潤溼改善,使充填能力增強。 
　　2燒結溫度對合金效能的影響 
　　燒結體的液相數量隨燒結溫度的提高而增大,就此材料而言,因Fe-Co-Ni形成無限固溶體,有效結晶溫度範圍較窄,當燒結溫度稍有變化,液相的濃度剃度將變化較大,實驗結果表明,在1360-1380℃範圍內,效能是比較穩定的,當達到1400℃時,抗彎強度下降500Mpa之多,且試樣周邊稜角變鈍,說明有流散傾向存在,溫度再高一點,可能產生下坐。由此說明此材料燒結溫度區間較窄,對溫度敏感性較大,在生產中應嚴格控制。 
　　3各元素在合金中的作用 
　　碳元素在Fe-Ni膠結合金中主要是抑制極易產生的脆硬相的出現,並強化膠結相,其數量的高低也影響著燒結溫度的高低。Co、Ni改善Fe對WC的潤溼性,Co固溶於膠結相內起到了“釘扎”作用,阻止位錯運動,強化基體,優化組織結構,使膠結相強化,保證緻密化過程完全。 
　　4強度特性 
　　抗彎強度是衡量硬質合金的一項重要指標,它是合金韌性的一個標誌。抗彎強度高,說明其韌性好,抗衝擊性能好。本材料燒結態強度A標尺單值達3370Mpa,平均達2880Mpa。 
　　 
　　4 結論 
　　1此材料在普通真空燒結的條件下,可得到強度高、抗衝擊性能好的組織結構,是替代YG20C的理想材料。 
　　2此材料在燒結過程中膠結金屬對WC潤溼性好,液相填充能力較強 
　　3此材料對燒結溫度敏感,最佳燒結溫度在1360-1380℃範圍為好。 
　　4此材料產品製造工藝過程與硬質合金相同。 
　　 
　　參考文獻 
　　[1]冶金工業出版社.《硬質合金生產》. 
　　[2]冶金工業出版社.《金屬學》. 
　　[3]《粉末冶金原理》.