Твердый сплав для горнодобывающей промышленности должен быть способен быстро сверлить в условиях мощного удара, минимизируя при этом износ и выдерживая длительные удары без разрушения. Иными словами, твердый сплав для горнодобывающей промышленности должен обладать превосходной износостойкостью и достаточной вязкостью, что является давней и сложной задачей как внутри страны, так и за рубежом.

Вообще говоря, улучшение износостойкости карбидов приводит к снижению твердосплавной вязкости, а увеличение ударной вязкости карбидов приводит к снижению износостойкости. Износостойкость и прочность – противоречивое единство. Как разрешить это противоречие, стало серьезной проблемой в современном производстве твердого сплава. В ходе испытаний мы обнаружили, что добавление микроэлементов редкоземельных элементов в горный карбид может эффективно решить эту проблему.

Факторы, влияющие на влияние редкоземельных элементов на добычу карбидов

Мы выбрали горнодобывающий карбид нашего завода MTY25 и добавили смесь редкоземельных элементов перед мокрым измельчением, чтобы получить смесь под названием MTY25R. Оба они были спечены при высокой температуре для создания экспериментальных материалов для тестирования производительности.

Из таблицы 1 видно, что добавление редкоземельных элементов увеличило значения прочности на изгиб и ударной вязкости горнодобывающего карбида с минимальным влиянием на твердость, плотность и магнитные свойства. Это указывает на то, что включение редкоземельных элементов повышает способность пластической деформации связующей фазы и прочность ее связи с твердой фазой на границе раздела.

Добавление в карбид редкоземельных элементов позволяет обогатить карбид примесными элементами, улучшить распределение межфазных примесей, очистить границы зерен, укрепить связующую фазу и изменить состав Co-фазы. Мы полагаем, что редкоземельные элементы, помимо усиления Co-матрицы связывающей фазы, в первую очередь тормозят фазовое превращение Co.

Мы подвергли горный карбид MTY25R и MTY25 методу электролитического растворения, избирательно растворяя поверхностный слой WC, оставляя фазу Co для количественного рентгеновского анализа. Мы обнаружили, что добавление редкоземельных элементов увеличивает содержание пластичного α-Co в карбиде примерно с 60% до более 90%, значительно повышая пластичность Co-фазы. Следовательно, это улучшение приводит к повышению прочности на изгиб и ударной вязкости твердого сплава.

 

Подтверждение результатов экспериментальными данными

Чтобы понять разницу в характеристиках карбидов с добавками редкоземельных элементов и без них во время фактического использования, мы провели следующие два этапа:

1. Испытания с динамическим термическим моделированием были проведены для моделирования изменений характеристик твердого сплава в рабочих условиях и определения влияния редкоземельных элементов на характеристики твердого сплава.

2Проведены полевые испытания на горнодобывающих производствах для оценки срока службы твердого сплава. Мы провели высокотемпературное динамическое термическое моделирование в Центральном Южном университете в Китае (как показано в таблице 2).

 

Результаты испытаний показывают, что добавление редкоземельных элементов в карбид снижает термическую прочность карбида, одновременно увеличивая его термическую пластичность и высокотемпературную вязкость (представленную общей площадью под кривой растяжения-деформации). Этот эффект аналогичен увеличению содержания Co. Карбиды, содержащие редкоземельные элементы, обладают превосходной термической пластичностью и вязкостью, что позволяет им лучше приспосабливаться к сложным различиям пластической деформации при термическом напряжении в высокотемпературных средах. Таким образом, карбиды с добавками редкоземельных элементов позволяют улучшить их эксплуатационные характеристики, повысить износостойкость и продлить срок службы.

Результаты в Таблице 3 показывают, что карбид MTY25R с добавлением редкоземельных элементов демонстрирует улучшение как срока службы, так и износостойкости по сравнению с карбидом MTY25 без редкоземельных элементов. В частности, в ходе испытаний, проведенных на железном руднике Лугу, твердый сплав MTY25R показал отличные характеристики.

Железный рудник Лугу — одно из мест в Китае, известное наличием самых твердых пород. Обычно для добычи руды в этом регионе используются буровые долота с твердосплавными вставками толщиной 16 мм, тогда как твердосплавные вставки, которые мы использовали в нашем тесте, имели толщину 10 мм. Однако в течение всего эксперимента не наблюдалось ни одного случая разрушения карбида при использовании карбидных вставок с добавкой редкоземельных элементов. Срок службы этих вставок также был значительно увеличен по сравнению со вставками без редкоземельных элементов. Это убедительно подтверждает вывод о том, что добавление редкоземельных элементов действительно может повысить прочность карбида на изгиб и ударную вязкость, улучшая его характеристики в реальных условиях применения.

 

Вывод

1Добавление определенного количества и формы редкоземельных элементов в горнодобывающие карбиды может повысить прочность твердого сплава на изгиб и ударную вязкость, тем самым улучшая износостойкость и продлевая срок службы твердого сплава.

2Добавление редкоземельных элементов имеет эффект, аналогичный увеличению содержания Co в карбиде, повышая его термическую пластичность и ударную вязкость.