添加剂对超粗合金性能的影响

刘华平，谭文生，陆庆忠

（苏州新锐合金工具股份有限公司，湖北 潜江 433124）

1 引言

矿用工具、挖掘工具在使用过程中，硬质合金零件承受高的循环载荷和摩擦力的作用，因而除受到磨粒磨损外，还受到周期性的冲击载荷和热冲击，合金容易出现龟裂。 低的粘结相含量有利于提高合金的热导率， 降低合金的热膨胀系数。 和细晶粒合金相比，粗晶粒合金具有更好的断裂韧性[1]。因此，制备矿用合金的趋势是降低合金的Co 含量，增大WC 晶粒度，可同时获得好的断裂韧性及高温性能。 最近几年，超粗合金成为硬质合金的一个发展方向。超粗合金虽然韧性较高，但其耐磨性和强度较低，如何在保持超粗合金高韧性的同时，提高其强度、耐磨性及抗热疲劳性，这是超粗合金当前要解决的一个问题。

通过对国外许多厂家的凿岩合金进行解剖分析，发现美国、德国一些厂家的合金中添加了微量NbC、TiC。 为提高超粗合金的强度、耐磨性及抗热疲劳性，本文主要研究各种碳化物添加剂对超粗合金性能的影响，从而确定添加剂的最佳类型及其含量、加入方式。

2 实验方法

选择本公司开发的JZ10CC 超粗合金，进行添加碳化物的粉料实验。各种配方粉料在1-S 球磨实验机内进行研磨。 使用DAKE 试验压机，压制试样并进行低压烧结。 2 个30g 重的圆柱试样用于常规物理、金相检测；按照GB/T 3851-1983标准加工B 型试样， 进行抗弯强度检测； 按照ASTM B771-1987（2006）标准加工试样，进行断裂韧性检测；按照 ASTM B611-1985（2005）标准加工试样，进行耐磨性检测。

3 实验结果与讨论

3.1 不同类型的添加剂对超粗合金性能的影响

WC-Co 合金中添加微量TiC 等碳化物添加剂， 有益于改善合金粘结相成分及晶界微观结构，提高合金的耐磨性，更重要的是提高了合金的抗热冲击和抗热塑变的能力[2]。 为确定最佳添加剂类型，往JZ10CC 合金中分别添加TiC、NbC、(X，Y)C 等，含量均为0.5%。 粉料实验结果如下：

3.1.1 含不同类型添加剂的超粗合金理化性能

对含 TiC、NbC、(X，Y)C 的 JZ10CC 合金理化性能进行分析，见表1。

从表1 看出：JZ10CC 合金加入碳化物添加剂可使密度减小，硬度增加。 添加TiC 的JZ10CC合金硬度最高，添加(X，Y)C 的JZ10CC 合金硬度最低。 此外JZ10CC 合金加入碳化物添加剂，可使合金中的异常大晶粒数量减少，说明碳化物添加剂对超粗合金的晶粒长大有抑制作用。 将含TiC、NbC、TiC+NbC、(X，Y)C 的 JZ10CC 合金以及不含添加剂的JZ10CC 合金晶粒进行对比，见图1，图 2，图 3，图 4，图 5。

表 1 含 TiC、NbC、（X，Y)C 的 JZ10CC 合金理化性能

JZ10CC 合金中加入碳化物添加剂后， 生成了除WC 和Co 外的第三种显微结构相， 第三相能提高合金的耐磨性[3]。 JZ10CC-NbC 合金中第三相的数量最多， JZ10CC-TiC 合金中第三相的数量其次，而JZ10CC-(X，Y)C 合金中第三相的数量最少，这是因为(X，Y)C 在钴中的溶解度最大，TiC 在钴中的溶解度其次，而NbC 在钴中的溶解度最小。

3.1.2 含不同添加剂的超粗合金机械性能

图 1 JZ10CC（1000X）

图 2 JZ10CC-TiC（1000X）

图 3 JZ10CC-NbC（1000X）

图 5 JZ10CC-(X，Y)C（1000X）

含不同添加剂JZ10CC 合金机械性能见表2。

从表 2 看出，JZ10CC 合金中添加 TiC、TiC+NbC 可降低合金的抗弯强度，这是因为超粗合金中加入TiC 降低了钴对WC 相的润湿性，从而导致抗弯强度降低[4]；而添加NbC 对JZ10CC 合金强度基本无影响，添加(X，Y)C 可提高JZ10CC 合金的抗弯强度。JZ10CC 合金中添加碳化物后，其断裂韧性都降低， 加入TiC 的合金韧性降低最多，加入(X，Y)C 的合金韧性基本不降低。

表2 含不同添加剂的JZ10CC 合金机械性能

图 4 JZ10CC-Ti，Nb（1000X）

3.2 不同含量的添加剂对超粗合金性能影响

为研究不同含量添加剂对超粗合金性能影响，进行(X，Y)C 添加剂的粉料实验。 对不同(X，Y)C 含量的JZ10CC 合金的理化性能进行检测，结果见表3。

由表 3 看出，JZ10CC 加入(X，Y)C，其密度稍有降低。 随着(X，Y)C 含量的增加，JZ10CC 合金的密度无明显变化，硬度略有增加。JZ10CC 合金中添加(X，Y)C 可提高合金的抗弯强度，随着(X，Y)C 含量的增加，JZ10CC 合金抗弯强度升高， 国外学者研究认为：添加(X，Y)C 不但可提高合金的硬度，也可提高合金的抗弯强度。三种合金的断裂韧性先随着(X，Y)C 含量的增加而稍微增加， 达到一个最大值后，随着(X，Y)C 含量的增加而降低。 可以看出，(X，Y)C 含量为0.5%的JZ10CC 综合性能最佳。

3.3 XC、YC 的加入方式对超粗合金性能影响

超粗合金添加剂的加入方式有两种：其一是以固溶体形式加入，其二是以单质碳化物形式加入。本文研究(X，Y)C 固溶体和 XC+YC（1：1 比例单质混合）两种添加剂对超粗合金性能的影响， 添加剂的含量为0.5%，两种合金的理化性能、机械性能见表4。

由表 4 看出， 不同添加方式的 XC、YC 对JZ10CC 合金理化性能、 抗弯强度及断裂韧性影响基本一样。

表3 不同含量(X，Y)C 的JZ10CC 合金理化性能

含(X，Y)C、XC+YC 的 JZ10CC 合金晶粒如图6、图 7。

从图 6、7 看出， 不同添加方式的 XC、YC 对JZ10CC 合金晶粒影响一样。

表 4 含 XC、YC 的 JZ10CC 合金性能

图 6 JZ10CC-(X，Y)C（1000X）

图 7 JZ10CC-XC+YC（1000X）

4 结论

本文主要研究了超粗合金中添加TiC、NbC、(X，Y)C 等碳化物添加剂对超粗合金性能的影响，同时探讨了不同含量的添加剂及加入方式对超粗合金性能的影响，有如下结论：

（1） 超粗合金中添加 TiC、TiC+NbC 可降低合金的抗弯强度， 而添加NbC 对合金强度基本无影响， 加入 (X，Y)C 可提高合金的抗弯强度。JZ10CC 合金中添加碳化物后， 其断裂韧性都降低，加入TiC 的合金韧性降低最多，加入(X，Y)C的合金韧性基本不降低。

（2）超粗合金中添加(X，Y)C，可提高合金的抗弯强度，并且随着(X，Y)C 含量的增加，合金的抗弯强度升高。合金的断裂韧性先随着(X，Y)C 含量的增加而稍微增加， 含量为0.5%时达到最大值，然后随着(X，Y)C 含量的增加而降低。

（3）添加剂的不同加入方式对超粗合金性能的影响效果一样。

[1]张国榉，刘荣湘，陈泓.凿岩钎具的设计、制造和选用[M].湖南：湖南科技出版社，1988.165-176.

[2]张俊熙，周书助.国外凿岩合金钻头材质剖析结果与探讨[M].湖南株洲：中国钨业协会硬质合金分会，2004.

[3]Erich Schachel 等.碳化钽技术[J].国外难熔金属与硬质材料，1992，8(1)：13-20.

[4]杨超尘，李望梅等.添加剂对硬质合金性能的影响[J].硬质合金，1989，（1）：13-17.