CN109652694A - 一种含稀土的WC-6Co超细硬质合金 - Google Patents
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Abstract
为了改善WC‑Co硬质合金的硬度、耐磨性，研制了一种含稀土的WC‑6Co超细硬质合金。采用YG6硬质合金为原料，Y2O3的添加能够起到抑制烧结过程中硬质合金晶粒长大的作用，使制得的硬质合金具有更均匀的内部结构及更高的致密化程度。Y2O3的添加量也需要进行严格控制，过多则会产生其他相导致硬质合金的力学性能降低。经过实践得出，Y2O3的添加量为0.5%时，其对硬质合金晶粒长大的抑制效果最明显，制得的硬质合金内部晶粒尺寸最小，致密化程度最高，硬质合金的综合性能最佳。所制得的含稀土Y2O3的WC‑6Co超细硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度、矫顽磁力、磁饱和强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC‑Co超细硬质合金提供一种新的生产工艺。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种硬质合金材料，尤其涉及一种含稀土的WC-6Co超细硬质合金。
背景技术
硬质合金是由一种或多种高硬度、高模量的间隙化合物与过渡族金属或其合金组成的复合材料。WC-Co硬质合金兼具良好的韧性、硬度、耐磨性等综合性能，被广泛应用于矿用、切削、模具等各个领域，已成为现代社会不可缺少的重要材料。超细WC-Co硬质合金具有比普通WC-Co硬质合金更高的硬度、更好的耐磨性、更高横向断裂强度以及更良好的断裂韧性等优越性能，被广泛应用于金属切削加工、耐磨零件等领域，具有巨大的市场需求。
三氧化二钇氧化钇的化学式为Y2O3，CAS号是1314-36-9，白色略带黄色结晶粉末。不溶于水和碱，溶于酸和醇。露置于空气中时易吸收二氧化碳和水而变质。用作制白热煤气灯罩、彩色电视荧光粉、磁性材料添加剂，还用于原子能工业等。氧化钇别名有钇氧、三氧化二钇、氧化钇(III)、氧化钇、氧化钇耙材等。不溶于水和碱，溶于酸。用途之一用作荧光粉、磁性材料的添加材料。
发明内容
本发明的目的是为了改善WC-Co硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金的制备原料包括：YG6硬质合金。
含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨介质为无水乙醇，球料比为8：1，球磨时间为24h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为24h，干燥温度为40℃，随后加入固体石蜡作为成形剂进行制粒。将制好的粉末加至单柱液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa。将制好的压坯置于石墨舟皿上，放入脱蜡-低压烧结一体炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。
含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金的检测步骤为：质量采用JA1003N电子天平测量，抗弯强度通过三点弯曲试验测得，矫顽磁力在YSK-Ⅲ型矫顽磁力计上测定，断口形貌采用IF50型扫描电镜观察。
所述的含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金，Y2O3的添加能够起到抑制烧结过程中硬质合金晶粒长大的作用，使制得的硬质合金具有更均匀的内部结构及更高的致密化程度。Y2O3的添加量也需要进行严格控制，过多则会产生其他相导致硬质合金的力学性能降低。经过实践得出，Y2O3的添加量为0.5%时，其对硬质合金晶粒长大的抑制效果最明显，制得的硬质合金内部晶粒尺寸最小，致密化程度最高，硬质合金的综合性能最佳。
所述的含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金，Y2O3的添加可以提升硬质合金的磁学性能，Y2O3的添加使得硬质合金具有更高的矫顽磁力和磁饱和强度。
所述的含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金，Y2O3的添加可以提升硬质合金的力学性能，Y2O3的添加使得硬质合金的硬度达到124HRA，抗弯强度达到2750MPa。
本发明的有益效果是：
采用YG6硬质合金为原料，经过配料、球磨、干燥、制粒、成形、烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金。其中，Y2O3的添加能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒长大，使硬质合金具有更细小的晶粒尺寸、更致密的内部结构，是Y2O3能够提升硬质合金综合性能的关键。所制得的含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度、矫顽磁力、磁饱和强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC-Co超细硬质合金提供一种新的生产工艺。
具体实施方式
实施案例1：
含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金的制备原料包括：YG6硬质合金。含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨介质为无水乙醇，球料比为8：1，球磨时间为24h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为24h，干燥温度为40℃，随后加入固体石蜡作为成形剂进行制粒。将制好的粉末加至单柱液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa。将制好的压坯置于石墨舟皿上，放入脱蜡-低压烧结一体炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金的检测步骤为：质量采用JA1003N电子天平测量，抗弯强度通过三点弯曲试验测得，矫顽磁力在YSK-Ⅲ型矫顽磁力计上测定，断口形貌采用IF50型扫描电镜观察。
实施案例2：
Y2O3的加入对YG6合金中WC晶粒度有所影响。其中，添加0.1%Y2O3的合金晶粒最细，合金的相对密度达到99.87%，孔隙度最小，WC的分布趋于均匀化。烧结过程中WC颗粒主要以两种方式生长，一是连续生长，即在液相烧结阶段，液相生成后，固相WC颗粒表面的原子逐渐溶解于液相中，液相对小的WC颗粒的饱和溶解度较大，而对大颗粒的饱和溶解度较小，因此WC小颗粒先溶解，而在大WC颗粒表面析出，于是大颗粒WC趋于长大；另一种是非连续性长大，即小的WC颗粒靠晶粒彼此接触，聚合长大，形成粗大的WC颗粒或者粗大的WC吞并细小的WC，形成更大的WC颗粒。所以，添加Y2O3后，合金晶粒变细，孔隙度变小，WC分布趋于均匀化，超细的Y2O3颗粒钉扎在WC晶粒边界处，使得WC晶粒聚合生长受到阻碍以及在液相中的扩散溶解受到阻碍，抑制了晶粒的长大。稀土添加剂与合金中的O、S、N等杂质发生反应生成难熔化合物，减少气体析出和空隙产生，净化了WC-Co界面并改善其湿润性，同时沉积在WC晶界处形成弥散质点，阻碍WC晶界的迁移，同样起到细化晶粒的作用。Y2O3的添加会降低钴相中出现液相的温度，相同烧结温度下，液相增加，促使烧结致密化的进行，并且WC颗粒在液相中的溶解度增加。而稀土元素能延缓WC的析出，当WC从过饱和度较大的状态析出时，WC晶粒形核速率远远大于长大速率，从而达到细化晶粒的效果。
实施案例3：
随着Y2O3的添加量增加，合金的矫顽磁力增加，相对磁饱和强度略有下降。这是因为在钴含量相同的情况下，矫顽磁力主要与Co的均匀分布和Co层的厚度相关。在烧结过程中，液相含量低时，扩散和溶解速率慢，Co液不能均匀流动，结果Co分布不均匀；随着液相含量的增加，被Co溶解的WC就越多，那么细的WC颗粒向较粗的WC颗粒的迁移速度加快，Co分布均匀。Y2O3的加入能够降低硬质合金烧结温度，因此在同样的烧结参数下，液相增加，所以矫顽磁力增加。
实施案例4：
由于Y、O原子与W、Co原子的半径差较大，当WC-6%CO超细硬质合金中溶入Y2O3时，Y2O3容易偏聚在固溶体晶界以及晶界的附近，从而使得系统能量降低，处于亚稳定状态。那么在烧结过程中，这些偏聚在晶界的Y2O3就容易形成弥散质点，形成钉扎作用，阻碍晶界迁移，使得合金晶粒细化，分布更加均匀，也使得合金的矫顽磁力增加。
实施案例5：
添加0.1%和0.1%的Y2O3对合金的磁饱和强度影响不大，均不低于90%，随着Y2O3的添加量增加，略有降低。WC-Co体系中的磁饱和强度主要与W、C在粘结相Co中的溶解度相关，W和C在Co中的溶解得越多，则固溶体的磁饱和强度下降得越多。一般情况下，合金中的游离碳的含量不大，磁饱和强度主要与Co相中的W的溶解度有关。W含量和C含量成正比，在WC-Co合金中C含量达到或超过饱和时，Co相中溶解的W是微量的，磁饱和强度就为或接近100%；而如果合金中C含量降低时，W的溶解量就会增加，继而磁饱和强度降低。那么这就说明，Y2O3的添加会略有降低WC-6%Co的碳含量，随着Y2O3含量的增加，对WC-6%Co的碳含量影响增大，但不会导致合金脱碳。
实施案例6：
在WC-Co系硬质合金中，硫和氧等杂质的存在会对合金性能产生不利的影响，尤其硫在晶界富集是合金韧性降低的重要原因。Y的加入可以吸收合金中的氧和硫生产Y2O2S相，从而改变了杂质在合金中的分布和存在形态，净化了WC-Co界面，提高了WC/Co相界面的强度；另外Y固溶于钴相中，增加了α-Co相的比例，提高钴相的塑性应变能力，因此提高了合金的抗弯强度。从试样的矫顽磁力也可以证实这一点，随着Y2O3含量的增加，矫顽磁力增大，因此其韧性也得到了提高。而合金硬度略有增加的原因主要和合金的晶粒度相关，Y2O3能够起到细化YG6合金的效果，因此硬相WC颗粒之间接触更加紧密，从而能承受较大的载荷，因此提高合金的硬度。
Claims (4)
1.一种含稀土的WC-6Co超细硬质合金的制备原料包括：YG6硬质合金。
2.根据权利要求1所述的含稀土的WC-6Co超细硬质合金，其特征是含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨介质为无水乙醇，球料比为8：1，球磨时间为24h，球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为24h，干燥温度为40℃，随后加入固体石蜡作为成形剂进行制粒，将制好的粉末加至单柱液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa，将制好的压坯置于石墨舟皿上，放入脱蜡-低压烧结一体炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。
3.根据权利要求1所述的含稀土的WC-6Co超细硬质合金，其特征是含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金的检测步骤为：质量采用JA1003N电子天平测量，抗弯强度通过三点弯曲试验测得，矫顽磁力在YSK-Ⅲ型矫顽磁力计上测定，断口形貌采用IF50型扫描电镜观察。
4.根据权利要求1所述的含稀土的WC-6Co超细硬质合金，其特征是所述的含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金，Y2O3的添加能够起到抑制烧结过程中硬质合金晶粒长大的作用，使制得的硬质合金具有更均匀的内部结构及更高的致密化程度，Y2O3的添加量也需要进行严格控制，过多则会产生其他相导致硬质合金的力学性能降低，经过实践得出，Y2O3的添加量为0.5%时，其对硬质合金晶粒长大的抑制效果最明显，制得的硬质合金内部晶粒尺寸最小，致密化程度最高，硬质合金的综合性能最佳，所述的含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金，Y2O3的添加可以提升硬质合金的磁学性能，Y2O3的添加使得硬质合金具有更高的矫顽磁力和磁饱和强度，所述的含稀土Y2O3的WC-6Co超细硬质合金，Y2O3的添加可以提升硬质合金的力学性能，Y2O3的添加使得硬质合金的硬度达到124HRA，抗弯强度达到2750Mpa。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111172443A (zh) * | 2020-02-24 | 2020-05-19 | 山东大学 | 一种高综合性能的硬质合金刀具材料及其制备方法 |
| CN114737095A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-12 | 江西离子型稀土工程技术研究有限公司 | 一种稀土掺杂的WC-Co硬质合金材料及其制备方法和应用 |
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2017
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190419 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |