CN107737924A - 基于钨钴的增强型硬质合金及其制备方法 - Google Patents

基于钨钴的增强型硬质合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及硬质合金材料技术领域，公开了基于钨钴的增强型硬质合金及其制备方法。所述基于钨钴的增强型硬质合金以WC‑8Co为基础，加入金属氧化物，所述金属氧化物为ZrO2、La2O3、Y2O3的三种，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比:0.1～0.5%的ZrO2、0.1～0.5%的La2O3、0.01～0.05%的Y2O3、6%的Co粉和余量的WC粉。本发明通过在配料阶段加入微量氧化锆及氧化镧，通过湿磨使其均匀分散在混合料中，混合料制得的压坯经过烧结后，经过光学显微镜观察，合金金相组织中WC晶粒均匀分布，没有出现异常粗晶，经过扫描电镜观察，氧化锆弥散分布在粘结相中，经过合金性能检测，氧化锆和氧化镧的加入提高了合金强度，提高了合金的硬度，没有增加合金孔隙度。

Description

基于钨钴的增强型硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金材料技术领域，更具体地，涉及基于WC-8Co钨钴的增强型硬质合金及其制备方法。
背景技术
硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。
硬质合金具有很高硬度和耐磨性、良好的弹性模量、很高的抗压强度、较好的化学稳定性和低的热膨胀系数；作为一种高效工具材料和结构材料，其应用领域不断拓展，对工业发展和科学技术进步起到了重要的推动作用。尤其是与其他硬质合金相比具有更高的硬度、韧性及优良的耐磨性的钨钴类硬质合金被广泛应用于金属切削加工、金属成形工具、矿山钻探以及耐磨部件等方面。
在如何保证钨钴类硬质合金硬度不降低的情况下，提高合金的抗弯强度一直是合金工作者研究的重点。硬质合金由硬质相和粘结相组成，硬质相的均匀分布、粘结相对硬质相的接触面积、粘结相康裂纹扩展能力影响着合金的抗弯强度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对WC-8Co硬质合金(Co含量为8wt％)，引入金属氧化物用于提高WC-8Co硬质合金的强韧性和耐磨性，提供基于WC-8Co钨钴的增强型硬质合金。
本发明还提供基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
提供基于钨钴的增强型硬质合金，以WC-8Co为基础，加入金属氧化物，所述金属氧化物为ZrO2、La2O3、Y2O3的三种，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：
本发明围绕提高WC-8Co硬质合金的强韧性和耐磨性，引入金属氧化物ZrO2、La2O3和Y2O3，其反应机理如下：
La2O3可抑制硬质合金组织WC晶粒聚集生长,使组织均匀,WC相邻接度减小,WC/Co接触面积增大,提高抗弯强。
ZrO2晶粒在应力诱导下发生相变，改变合金组织结构，诱导裂纹偏转及弯曲，降低裂纹扩展驱动力，裂纹分支弱化，产生相变增韧，同时ZrO2在烧结过程中生成细小弥散的ZrO2质点，固溶于Co相中，强化粘结相，使得粘结相中裂纹的稳定长大区域缩小，显微裂纹萌生和长大的负荷增大。
Y2O3能抑制Co的晶型转变，增韧Co粘结相。稀土在合金烧结过程中，吸收杂质，改善Co的润湿性，从而强化合金抗弯及断裂性能。
优选地，所述基于钨钴的增强型硬质合金，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：
优选地，所述基于钨钴的增强型硬质合金，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：
本发明还提供基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.按照所述基于钨钴的增强型硬质合金的配比进行配料进行湿磨，湿磨结束后得到浆料；
S2.将浆料干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成型，再进行脱胶烧结，最终得到所需形状的基于钨钴的增强型硬质合金。
优选地，步骤S1中所述WC粉费氏粒度为2um，所述Co粉费氏粒度为1.5um。
优选地，步骤S1中所述湿磨的湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精。
优选地，步骤S1中所述湿磨的时间为20～40h。
优选地，步骤S1中所述湿磨的球料比为3:1。
优选地，步骤S2中烧结温度为1400～1600℃，烧结时间为1h。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明通过在配料阶段加入微量氧化锆及氧化镧，通过湿磨使其均匀分散在混合料中，混合料制得的压坯经过烧结后，经过光学显微镜观察，合金金相组织中WC晶粒均匀分布，没有出现异常粗晶，经过扫描电镜观察，氧化锆弥散分布在粘结相中，经过合金性能检测，氧化锆和氧化镧的加入提高了合金强度，提高了合金的硬度，没有增加合金孔隙度。
附图说明
图1实施例1硬质合金金相图。
图2实施例2硬质合金金相图。
图3实施例3硬质合金金相图。
图4对比例1硬质合金金相图。
图5本发明硬质合金金相中粘结相黑点能谱扫描分析图。
具体实施方式
本发明以WC-8Co为基础，加入金属氧化物，所述金属氧化物为ZrO2、La2O3、Y2O3的三种，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：
本发明中金属氧化物的添加与现有技术中加入金属氧化物的作用，主要有以下区别：
通过氧化镧使得合金WC晶粒不出现异常长大，消除粗大WC晶粒，因为粗大的WC晶粒容易生成裂纹。
通过添加氧化锆，由于氧化锆能弥散分布在粘结相中，在合金碎裂过程中，裂纹一般通过粘结相扩展，弥散分布在粘结相中的氧化锆能使得裂纹发生偏转，有效阻碍裂纹的扩展。
通过氧化钇优化合金粘结相性能，在硬质合金的磨损过程中，最先磨损的是粘结金属Co，由于氧化锆的高硬度、高耐磨性质，通过添加氧化锆，由于氧化锆能弥散分布在粘结相中，提高了WC-8Co硬质合金的耐磨性。
本发明围绕提高WC-8Co硬质合金的强韧性和耐磨性，引入金属氧化物ZrO2、La2O3和Y2O3，其反应机理如下：
La2O3可抑制硬质合金组织WC晶粒聚集生长,使组织均匀,WC相邻接度减小,WC/Co接触面积增大,提高抗弯强。
ZrO2晶粒在应力诱导下发生相变，改变合金组织结构，诱导裂纹偏转及弯曲，降低裂纹扩展驱动力，裂纹分支弱化，产生相变增韧，同时ZrO2在烧结过程中生成细小弥散的ZrO2质点，固溶于Co相中，强化粘结相，使得粘结相中裂纹的稳定长大区域缩小，显微裂纹萌生和长大的负荷增大。
Y2O3能抑制Co的晶型转变，增韧Co粘结相。稀土在合金烧结过程中，吸收杂质，改善Co的润湿性，从而强化合金抗弯及断裂性能。
优选地，所述基于钨钴的增强型硬质合金按照如下重量百分比的组分进行混合料配比时，其抗弯强度和硬度最好，具体如下：
优选地，所述基于钨钴的增强型硬质合金按照如下重量百分比的组分进行混合料配比时，其矫顽磁力最好，具体如下：
本发明还提供基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.按照上述基于钨钴的增强型硬质合金的配比进行配料进行湿磨，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，时间为20～40h，湿磨结束后得到浆料；
S2.将浆料干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成型，再进行脱胶烧结，烧结温度为1400～1600℃，保温时间为1～3h，最终得到所需形状的基于钨钴的增强型硬质合金。
下面结合具体实施例进一步说明本发明。以下实施例仅为示意性实施例，并不构成对本发明的不当限定，本发明可以由发明内容限定和覆盖的多种不同方式实施。除非特别说明，本发明采用的试剂、化合物和设备为本技术领域常规试剂、化合物和设备。
实施例1
本实施例提供基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量百分比将0.5％的ZrO2、0.1％的La2O3、6％的Co粉、0.03％的Y2O3、93.37％的WC粉混合得到1Kg混合料，混合料中WC粉费氏粒度为2um，Co粉费氏粒度为1.5um，将1Kg混合料加入容积为2L的球磨筒中，加入硬质合金研磨棒3Kg，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，湿磨时间为30h，湿磨后得到浆料；
S2.将料桨干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成试样条，进行脱胶烧结，最终烧结温度为1450℃，保温1h,制成基于钨钴的增强型硬质合金试样条，其规格为5.25mm*6.5mm*20mm，本实施例金相如图1所示。
实施例2
本实施例提供基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量百分比将0.3％的ZrO2、0.3％的La2O3、6％的Co粉、0.01％的Y2O3、93.39％的WC粉混合得到1Kg混合料，混合料中WC粉费氏粒度为2um，Co粉费氏粒度为1.5um，将1Kg混合料加入容积为2L的球磨筒中，加入硬质合金研磨棒3Kg，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，湿磨时间为30h，湿磨后得到浆料；
S2.将料桨干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成试样条，进行脱胶烧结，最终烧结温度为1450℃，保温1h,制成基于钨钴的增强型硬质合金试样条，其规格为5.25mm*6.5mm*20mm，本实施例金相如图2所示。
实施例3
本实施例提供基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量百分比将0.1％的ZrO2、0.5％的La2O3、6％的Co粉、0.05％的Y2O3、93.35％的WC粉混合得到1Kg混合料，混合料中WC粉费氏粒度为2um，Co粉费氏粒度为1.5um，将1Kg混合料加入容积为2L的球磨筒中，加入硬质合金研磨棒3Kg，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，湿磨时间为30h，湿磨后得到浆料；
S2.将料桨干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成试样条，进行脱胶烧结，最终烧结温度为1450℃，保温1h,制成基于钨钴的增强型硬质合金试样条，其规格为5.25mm*6.5mm*20mm，本实施例金相如图3所示。
对比例1
本对比例提供WC-8Co硬质合金制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量百分比将8％的Co粉、92％的WC粉混合得到1Kg混合料，混合料中WC粉费氏粒度为2um，Co粉费氏粒度为1.5um，将1Kg混合料加入容积为2L的球磨筒中，加入硬质合金研磨棒3Kg，钴粉在湿磨开始的时候加入，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，湿磨时间为30h，湿磨后得到浆料；
S2.将料桨干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成试样条，进行脱胶烧结，最终烧结温度为1450℃，保温1h,制成WC-89Co合金试样条，其规格为5.25mm*6.5mm*20mm。本对比例金相如图3所示
性能测试与表征
将实施例1～3以及对比例1制备得到的合金试样条进行性能检测，具体如表1所示。
表1
通过表1数据分析，氧化锆与氧化镧的加入细化了合金的WC晶粒，提高了合金的抗弯强度和硬度。氧化锆在粘结相中的球形分布，使得裂纹在合金中的扩展时受到阻碍，提高了合金抗裂纹扩展能力，同时强化了合金粘结相，对于提高合金耐磨性有利。
图5为金相中粘结相黑点能谱扫描分析，经检定，途中黑点为氧化锆，ZrO2颗粒呈球形分布，分散均匀没有团聚。

Claims (10)

1.基于钨钴的增强型硬质合金，其特征在于，以WC-8Co为基础，加入金属氧化物，所述金属氧化物为ZrO2、La2O3、Y2O3的三种，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：
2.根据权利要求1所述基于钨钴的增强型硬质合金，其特征在于，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：
3.根据权利要求1所述基于钨钴的增强型硬质合金，其特征在于，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：
4.基于钨钴的增强型硬质合金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.按照权利要求1～3任意一项所述基于钨钴的增强型硬质合金的配比进行配料进行湿磨，湿磨结束后得到浆料；
S2.将浆料干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成型，再进行脱胶烧结，最终得到所需形状的基于钨钴的增强型硬质合金。
5.根据权利要求4所述基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述WC粉费氏粒度为2um。
6.根据权利要求4所述基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述Co粉费氏粒度为1.5um。
7.根据权利要求4所述基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述湿磨的湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精。
8.根据权利要求4所述基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述湿磨的时间为20～40h。
9.根据权利要求4所述基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述湿磨的球料比为3:1。
10.根据权利要求4所述基于钨钴的增强型硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤S2中烧结温度为1400～1600℃，烧结时间为1～3h。
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