一种含稀土矿用硬质合金的研制

D0I:10.13374/i.issnl001-053x.1991.s2.012 第f3卷第5(1)期 北京科技大学学报” Vo1.13No.5(I) 1991 Journal of University of Science and Technololgy Beijing Sept.1991 ."5w” g*。, ,… 〔 一种含稀土矿用硬质合金的研制 杨金·辉 摘要：系统地所究了稀士元素诗及混合稀土对WCC0合金织粗和栓能的影南，从而研制。 出了一种新的旷用硬质合金肿号。 关键词：硬质合金，稀土元素饰，混合稀土 Research on A New Hard Alloy Containing RE in Use of Mining Yang Jinhui ABSTRACT:The influence of the rare elements Ce and the RE on the structure and properties of WC-Co hard alloys.It is found that the hard alloy is use of mining indusrty. KEY WORDS:hard alloy in use of mining,Ce,RE 据有关资料25，)报导，在硬质合金中加入少量、钇及混合稀土元素，合金的抗弯 强度可平均提高20%，硬度提高0,1~1HRA,抗氧化性也有所改进。但至今未见到系统的 研究成果报告，因此开展含稀土硬质合金的研究有一定的意义。本文着重研究矿用硬质合金 中加入稀土元素的作用，目的在于建立矿用硬质合金新系列。 1实验过程 (1)原材料 1991一06-13收稿 ·矿业研究所(Institute of Mining and Mineral Engineering) 65

第 卷第 一 期 年 月 北 京 幻 凡 技 · 大 学 学 报 已 。 。 。 ’ 。 ‘ 。 科 一 ’ 尹 加 · 二 · 一 户 ， ‘ ， 、 甲 ‘ 口 夕 ‘ ， 《 一 气种含稀土矿用硬质合金的研制 杨 ’ 金 辉 ” ，妇 摘 要 系统 地研究 了稀土元 素钵 及混合稀土对 一 合金织组和性能的 影响 ， 从而 研制 出 了一种 新的矿用硬质合金牌 号 。 关键饲 硬质合金 ， 稀 土元素饰 ， 混合稀土 两 夕 ” ， 一 一 ， 一 。 ， ， 肠甲 据有关资料 〔 ’ ” ’ 。 ’ 报导 ， 在硬 质合 金 中加 入少量钵 、 忆及混合 稀 土元素 ， 合金的 抗 弯 强度可 平均 提高 ， 硬度提高 ， 抗氧化性也有所 改进 。 但至今 未见 到 系 统 的 研究 成果 报告 ， 因此开 展 含稀土 硬 质合 金 的 研究有一定的意 义 。 本文着重 研究矿用硬 质合金 中加 入 稀土元素的作 用 ， 目的 在于建 立矿 用硬质合 金新 系列 。 实 验 过 程 原材 料 一 一 收稿 ， 矿业研究所 林 未 军 滚。 名 筛 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．s2．012

WC:-320目，总碳6,01%，游离碳为0.03%； Co:-320目，纯度≥98.8%，稀土元素(Ce或RE):-320目。 (2)试样制备 将加与不加稀土的硬质合金(WC-Co)分别冷压成5mm×5mm×30mm的压坯，经烧结 制成试样。 (3)检验方法 用电子显微镜、X射线衍射仪测定合金的组织结构：用相应的仪器测定密度、硬度、抗 弯强度。 2实验结果 2,1Ce对合金性能的影彰响 实验用合金脾号为YG,11,结果如表1和图1所示。 表1Ce对合金性能的影响 Table 1 The influence of Ce on the properties of WC-Co hard alloy(YG:11) Ce加人量 密度D 硬度 抗弯强度0，×102 % g/cm3 HRA N/mm2 0 13.88 87.1 18.0 0.2 13,86 87.0 20.0 0.4 13.86 87.7 18.9 0.6 13.85 88.4 18.4 0.8 13.83 88.3 17.6 1.0 13.80 88.0 17.4 、 28 27 1 26 18 25 17 16L .0 0.4·0.6 0.8 .40.5 0.6 0.7 Ce,% Re,% 图1Ce加入量与抗弯强度o的关系 图9RB加入量与抗弯强度σ的关系 Fig.1 The influence of adding Ce on Fig.2 The influence of the adding RE the TRS of WC-CO hard alloy on the TRS of WC-Co hard alloy 66

一 。 目 ， 总碳 黝 ， 游离碳为 一 自 ， 纯度 稀土元素 或 一 目 。 试样制备 将加与不加稀土的硬质合金 一 分别冷压成 的压坯 ， 经 烧结 制成试样 。 检验方法 用 电子显微镜 、 射线衍射仪 测定合金的组 织结 构 用相应的仪器侧定密度 、 硬度 、 抗 弯 强度 。 气 实 验 结 果 。 对合金性能的形晌 实验用合金脾号为 。 ， 结果如表 和 图 所示 。 表 对合金性能的影晌 一 五 。 二留‘ 习 二二‘ 二二二二‘ 二二二 二竺 一一 一 二 一 一 一 ， 一一 二 二早二二二 军 ‘ 目 钾 曰 二 公二二二二 石 二 一 二 一 ， 妇 加人是 密度刀 扭 硬 度 人 抗弯强度口 ， 功 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 忍 。 。 。 。 。 厂一一 一 一几 ‘ 口 一 一可 丫 ’ 、 、 硅 了 丫入 乃 艺注 一 ， 、 、 ‘ ， 一 一 一 一 一 年注三 日 欠 ， 。 ’ 书， 口 多 口 ， 只 ， 图 加 入量与抗弯强度 。 的关 系 一 图 穷 加人量与抗 弯强 度 的关 系 止 巴 丁 一 拜 了 舫

2.2混合稀土RE对YG.13C合金性能的彩响 RE对YG.13C合金性能的影响，见表2和图2。 表2RE对YG:13C合金性能影晌 Table 2 The influence of the mixture of rare earths on.the properties of WC-Co hard alloy (YG.13C) RE加入量，% 密度D,g/cm3 硬度HRA 抗弯强度a,×102N/mm° 0 13.78 87 24 r.3 13.76 87.1 24.6 0,4 13,77 87.3 26.5 0.5 13.74 87.5 27.38 0.6 13.75 87.4 26.3 0.7 13.74 87.4 26.25 2.3稀土元素对WCCo硬质合金组织结构的彩响 ①合金的金相组织（如图3）。 ②X射线相分析未加Ce时YG.11合金查出相：WC、a-W2C、a-Co、e-Co、 -CoaW:C。. 加0.2%Ce时YG.11合金查出相：WC、a-W2C、&-Co、e-Co。 加1.0%Ce时YG.11合金查出相：WC、a-W,C、Ce2C。7、a-Co、e-Co。 67

一 。 目 ， 总碳 黝 ， 游离碳为 一 自 ， 纯度 稀土元素 或 一 目 。 试样制备 将加与不加稀土的硬质合金 一 分别冷压成 的压坯 ， 经 烧结 制成试样 。 检验方法 用 电子显微镜 、 射线衍射仪 测定合金的组 织结 构 用相应的仪器侧定密度 、 硬度 、 抗 弯 强度 。 气 实 验 结 果 。 对合金性能的形晌 实验用合金脾号为 。 ， 结果如表 和 图 所示 。 表 对合金性能的影晌 一 五 。 二留‘ 习 二二‘ 二二二二‘ 二二二 二竺 一一 一 二 一 一 一 ， 一一 二 二早二二二 军 ‘ 目 钾 曰 二 公二二二二 石 二 一 二 一 ， 妇 加人是 密度刀 扭 硬 度 人 抗弯强度口 ， 功 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 忍 。 。 。 。 。 厂一一 一 一几 ‘ 口 一 一可 丫 ’ 、 、 硅 了 丫入 乃 艺注 一 ， 、 、 ‘ ， 一 一 一 一 一 年注三 日 欠 ， 。 ’ 书， 口 多 口 ， 只 ， 图 加 入量与抗弯强度 。 的关 系 一 图 穷 加人量与抗 弯强 度 的关 系 止 巴 丁 一 拜 了 舫

图3加人稀土元素的硬质合金的金相组织 (a)YC.11未知Ce:(b)YG,11m0.2%Cc;(c)YG.13C未加RB, (d)YG.13C加0,5%RB;(e)、(f)加入Ce的扫描分布图 Fig.3 Microstructurc of the hard alloy added RE 3 实验结果讨论 由表1看出，加入稀土元素C©后合金性能有明显的变化。当铈含量为0.2%时，YG11 合金的抗弯强度达到2×103N/mm2,比未加饰的提高了200N/mm2。从表2也看出，当混 合稀土RE含量为0.5%时，YG.13C合金的抗弯强度达到2.79×103N/mm2,比未加附提高 了338N/mm2,合金的密度变化不大，.硬度略有提高。 从图3(a.b.c,d)可以看出，加入Ce和RE后，合金中WC晶粒变细，变得圆滑，楼角消 失，且分布均匀，几乎没有发现大块WC晶粒，从而导致合金抗弯强度的提高。 资料1)，C©能与氧强烈的化合并吸气，因此加入铈后能减少合金中吸附的空气。由于 稀土氧化物生成自由能低于大多数合金中其它元素氧化物，稀土铈能夺取合金中的其他氧化 物的高，形成稳定的稀土氧化物，从而防止高温还原生成气体所造成的孔洞，减少石墨夹 杂，提高合金强度。这可从图3(a.b.c.d)和X射线相分析结果得到证实。 稀土元素比较活泼，能与合金中杂质元素作用，改变合金中杂质（硫、钙）等的形态与 分布，起到净化界面，提高WC相和Co相联接强度〔3〕，使抗弯强度得到提高。 从电镜面扫描分布图象图3(，f)来看，加入混合稀土RE后，有一定数量的混合稀土RE 溶入了粘结相，从而使粘结相得到强化，YG.11,YG,13C合金的抗弯强度在原有的基础 上得到提高8)。 资料〔4)指出，在硬质合金加入稀土元素后，粘结a-Co的数量将会大幅度的增加。硬、 质合金强度理论指出，添加剂的加入将会抑制硬质合金中粘结相&-C0→e-Co的转变。 c-Co有12个滑移系，而ε-Co只有3个滑移系。滑移系越多，塑性就越好，因而加稀土后提 高了硬质合金的韧性。 由表1看出，当Ce含量大于0.2%时，随着Ce添加量的增加，WC-Co硬质合金的抗弯 强度逐渐减小，这是因为加入过多的稀土元素C后，它形成了脆性较大的C-Cc化合物，并 吸附在WC相和粘结相的界面上，从而导致了硬质合金抗弯强度的降低。 68

图 加 人稀 土元素 的硬 质合 金的 金相组织 未加 加 未 加 ， 加口 弓 、 加 人 的 扫描 分布图像 ‘ 实验结果讨论 由表 看 出 ， 加 人 稀土 元 素 后 合 金性能 有明显 的 合金 的 抗 弯强度达 到 ‘ ， 比 未加饰 的 提高 了 合稀土 含量为 时 ， 合金 的抗弯强 度达 到 了 ， 合 金的密 度变化不 大 ， 硬 度略有提高 。 化 。 当钵含量为 · 时 · 加 ’ 。 从表 也看 出 ， 当混 变乳 “ ， 匕未加 时 提高 、、丫 、 从图 可 以看 出 ， 加 人 和 后 ， 合金中 晶粒 变细 变得 圆滑 ， 棱 角消 失 ， 且分 布均 匀 ， 几乎没 有发现大块 晶粒 ， 从 而导致 合金抗 弯强 度的 提高 。 资料〔 〕 ， 能与氧强烈的 化合并吸气 ， 因此加人钵后能减少合金 中吸 附的 空气 。 由于 稀土氧 化物生 成 自由能 低于 大 多数 合金 中其它 元素氧 化物 ， 稀土钵能 夺取 合金 中的其他 氧化 物 的 氰 ， 形 成稳 定的 稀土氧 化物 ， 从而 防止高温还原生 成气 体所造 成的孔洞 ， 减 少 石 墨 夹 杂 ， 提高 合 金强 度 。 这可 从 图 和 射 线相 分 析结果 得到证 实 。 稀土 元素比 较活泼 ， 能 与合金 中考质元素作用 ， 改变合金 中杂 质 硫 、 钙 等的形态 与 分 布 ， 起 到净 化界面 ， 提高 相和 。 柑联接强 度 〔 ’ ， 使抗 弯强 度得 到提高 。 从电 镜面扫描分 布 图象图 来 看 ， 加 入混合 稀 土 后 ， 有一定数 量 的混 合稀 土 溶 人 了粘结相 ， 从而使粘结相 得 到强 化 ， ， 合 金 的抗 弯强 度在 原 有 的 基 础 上 得 到 提高 〔 “ 〕 。 资料 〔 〕 指出 ， 在硬 质合 金加 人稀土元素后 ， 粘结 一 的数 量 将会大 幅 度 的 增加 。 硬 质合金强 度 理论 指出 ， 添加 剂的加 入将会抑 制 硬 质合 金 中 粘 结 相 “ 一 一 “ 一 的 转 变 。 。 一 郁 个滑移 系 ， 而。 一 。 只 有 个滑移系 。 滑 移系越 多 ， 塑 性就越 好 ， 因而加 稀土后 提 高 了硬 质合金的韧性 。 由表 看 出 ， 当 含量大于 时 ， 随 着 添加 量的增加 ， 一 。 硬 质 合 金 的抗弯 强 度逐渐减小 ， 这 是 因为加 人过多的稀土元素 后 ， 它 形 成 了脆性较大 的 。 一 。 化合物 ， 并 吸 附在 相 和粘结相 的界 面上 ， 从 而导致 了硬 质合金抗弯强度的降 低

4结论 (1)在YG.11矿用硬质合金中添加适量的稀土元素Ce,能提高WC-Co硬质合金的抗弯 强度。当C含量为0.2%时抗弯强度达到2000N/mm2,比未添加稀土元素Ce时提高了 20N/mm2。 (2)在YG.13C矿用硬质合金中添加适量的稀土RE时能提高WC-Co硬质合金的抗弯强 度。当RE添加量为9,5%时，抗弯强度达到最大值2788N/mm2，比未添加前提高了 388N/mm2。 参考文献 1李规华，硬质合金，1982，(2)： 2美国专利.1077921,1967年8月2日公布 3刀国平.稀土元素，北京出版社，1979年 4罗重林.硬质合金，1991，(2)： 5东德专利.1243399,1957年6月29日公布 6东德专利.39169,1965年5月25日公布 热穿冷拔双相无缝钢管的研究 研制成功了热穿冷拔双相无缝钢管用07MSi新钢种。该钢能适应一般钢管厂的现有条 件生产小规格薄壁冷拔双相无缝钢管。采用此钢生产中25mm×25mm无缝钢管，冷拔工艺简 单，机械性能完全符合GB3087-82国标的要求。在流动态水中的耐蚀性优于传统的20#钢 管。已向天津石油公司第一石油化工厂提供了6t钢管，并由该厂制成了FL816I.型常压塔顶 冷凝器及FR525VB型脱乙烷汽油换热器各一台，并投人使用，运行正常。如全国推广使用 此项成果，每年的节材、节能社会经济效益可达7000万元以上。 69

结 论 在 矿用 硬 质合 金 中添加 适 量的 稀土 元素 ， 能 提高 一 。 硬 质合金 的 抗 秀 强度 。 当 。 含量 为。 时 杭弯强 度 达 到 “ ， 比 未 添 加 稀 土 元 素 时 提 高 了 ， 。 在 矿 用硬 质合 金 中添加 适 量的 稀土 时能 提高 一 硬 质合金的 抗 弯强 度 。 当 添加 量 为。 。 少招寸 ， 抗弯 强 度 达 到 最 大 值 “ ， 比 未 添 加 前 提 高 了 “ 。 参 考 文 献 李规华 硬 质合 金 ， ， 美国 专 利 。 ， 年 月 日 公 布 刀 国 平 ‘ 稀土元 素 ， 北京 出版社 ， 年 罗重林 。 硬 质合 金 ， ， 东德 专利 。 ， 年 月 日公 布 东德专利 ， 年 月 日公 布 热 穿冷拔双相无缝钢管的研究 研制 成功 了热穿冷拔双相 无缝钢 管用 新钢 种 。 该钢 能适应一般钢 管厂的现有条 件生产小规格薄壁冷拔双相 无缝 钢管 。 采 用此钢生 产小 无缝钢 管 ， 冷拔工艺简 单 ， 机械性能 完全符合 一 国标的 要求 。 在流动态水中的耐蚀性优 于 传 统 的 尝 钢 管 。 已向天津 石油 公 司 第一石油 化工厂 提供了 钢 管 ， 并 由该厂 制成 了 。 型常 压塔 顶 冷凝器及 型脱乙烷汽 油换 热器各一台 ， 并投 人使用 ， 运行 正常 。 如全国推广使 用 此 项成果 ， 每 年的 节材 、 节能社 会经济效益可达 万元以上