CN109666837A

CN109666837A - 一种含Ce和Y的YG6硬质合金

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Publication number: CN109666837A
Application number: CN201710964032.7A
Authority: CN
Inventors: 徐萍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2019-04-23

Abstract

为了改善YG6硬质合金的硬度、耐磨性，制备了一种含Ce和Y的YG6硬质合金。采用化学成分为钴粉含6%、各稀土添加量为2%、余量为碳化钨粉的硬质合金为原料，含Ce和Y的YG6硬质合金，稀土元素的添加能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有均匀的内部结构，晶粒尺寸细小。稀土元素的添加能够提高硬质合金磁性能，合金钴磁和矫顽磁力最大增幅分别达19%和37%。所制得的含Ce和Y的YG6硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的YG6硬质合金提供一种新的生产工艺。

Description

一种含Ce和Y的YG6硬质合金

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Ce和Y的YG6硬质合金。

背景技术

硬质合金是由1种或多种高硬度、高模量的间隙化合物(通常是WC与过渡金属Fe、Co、Ni或其合金)组成的复合材料。WC-Co硬质合金以其硬度高、红硬性高、抗压强度高、耐磨性好，耐蚀性与抗氧化性良好，广泛应用于切削刀具、矿用工具、模具、量具、耐磨零件以及机械密封等工业领域，被称为“现代工业的牙齿”。硬质合金属于脆性材料，硬度和强度即耐磨性和韧性之间的矛盾一直是困扰其发展的主要因素。

YG6钨钢，为一种钨钴类材料。使用强度及冲击韧度较好，耐磨性较好。应力不大条件下的拉深模，适于拉制直径<20mm的钢。非铁金属丝及其线材或棒材，也用于控制<10mm的管材。

发明内容

本发明的目的是为了改善YG6硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种含Ce和Y的YG6硬质合金。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

含Ce和Y的YG6硬质合金的制备原料包括：化学成分为钴粉含6%、各稀土添加量为2%、余量为碳化钨粉的硬质合金。

含Ce和Y的YG6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，配好后倒入硬质合金球磨罐中进行湿磨，球磨介质为无水乙醇，球磨机转速为70r/min，球料比为7:1，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50min，干燥温度为40℃，随后加入石蜡作为成形剂进行制粒。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，压制压力为180MPa。将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。

含Ce和Y的YG6硬质合金的检测步骤为：抗弯强度采用三点抗弯法测定，密度采用阿基米德排水法测定，硬度采用H50A洛氏硬度计和Dura50全自动维氏硬度计测定，断裂韧性采用压痕法测定，矫顽磁力和钴磁采用MAT96型矫顽磁力测量仪和MAT97MS型钴磁测量仪检测，断口形貌采用NovaSEM450场发射扫描电镜及牛津能谱仪观察，物相分析采用D8X射线衍射仪。

所述的含Ce和Y的YG6硬质合金，稀土元素的添加能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有均匀的内部结构，晶粒尺寸细小。稀土元素的添加能够提高硬质合金磁性能，合金钴磁和矫顽磁力最大增幅分别达19%和37%。

所述的含Ce和Y的YG6硬质合金，添加白钨制备的YG6合金性能优于黑钨制备的YG6合金性能。

所述的含Ce和Y的YG6硬质合金，稀土与杂质元素形成的化合物量少且分布随机，较难用X射线衍射分析和透射电镜选区电子衍射技术确定具体物相。

本发明的有益效果是：

采用化学成分为钴粉含6%、各稀土添加量为2%、余量为碳化钨粉的硬质合金为原料，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Ce和Y的YG6硬质合金。其中，稀土元素的添加能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有缺陷少、晶粒尺寸均匀的优点。所制得的含Ce和Y的YG6硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的YG6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Ce和Y的YG6硬质合金的制备原料包括：化学成分为钴粉含5.78%、各稀土添加量为1.76%、余量为碳化钨粉的硬质合金。含Ce和Y的YG6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，配好后倒入硬质合金球磨罐中进行湿磨，球磨介质为无水乙醇，球磨机转速为68r/min，球料比为6:1，球磨时间为22h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为40min，干燥温度为40℃，然后加入石蜡作为成形剂进行制粒。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，压制压力为170MPa。将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1500℃，保温时间为100min。含Ce和Y的YG6硬质合金的检测步骤为：抗弯强度采用三点抗弯法测定，密度采用阿基米德排水法测定，硬度采用H50A洛氏硬度计和Dura50全自动维氏硬度计测定，断裂韧性采用压痕法测定，矫顽磁力和钴磁采用MAT96型矫顽磁力测量仪和MAT97MS型钴磁测量仪检测，断口形貌采用NovaSEM450场发射扫描电镜及牛津能谱仪观察，物相分析采用D8X射线衍射仪。

实施案例2：

添加0.09%9不同稀土YG6硬质合金的物相均由硬质相WC和粘结相Co组成，未检测出含稀土的物相，可能是由于稀土添加量少，低于设备的检出限。其说明添加少量稀土不会改变合金的物相。YG6硬质合金的密度为15.02g/cm³，相对密度达到了99.65%。当稀土添加量均为0.09%时，Ce和Y对YG6合金致密度的影响不大，相对密度均达到99.57%以上

实施案例3：

添加Ce和Y的YG6合金的显微组织比纯YG6的要更加细小且分布均匀，添加稀土后改善了Co粘结相的流动性使其分布更加均匀，这是因为具有均匀细小晶粒的合金其塑性粘结相层中的塑性约束减少、塑性流动较容易。纯YG6合金的晶粒大小分布在0.24μm～3.89μm范围内，平均晶粒大小为1.24μm，硬质合金的晶粒大小分布在0.348μm～3.128μm之间，平均晶粒大小为1.11μm，硬质合金的晶粒大小分布范围是0.35μm～3.10μm，平均晶粒大小为0.87μm，这说明添加稀土有利于硬质合金的组织细化和均匀化，其中当稀土添加量均为0.118%时，Y的细化效果比Ce的细化效果更佳。添加稀土有利于硬质合金的组织均匀化。

实施案例4：

添加稀土改善了YG6硬质合金的显微组织，稀土的添加会降低硬质合金的烧结温度，较好地解决了控制晶粒长大和烧结致密化之间的矛盾，稀土的添加也降低钴相中出现液相的温度，在相同烧结温度条件下，液相增加促使烧结致密化的进行，而且WC颗粒在液相中的溶解度增加。且稀土元素能延缓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，稀土化合物颗粒钉扎在WC晶界处形成弥散质点，使得WC晶界的迁移和小WC晶粒在液相中的扩散溶解受到阻碍，同样起到细化晶粒的作用，稀土与合金中的Ca、O、S等杂质发生反应生成难熔化合物，减少气体析出和填充空隙，改善组织分布，净化了WC-Co界面并改善其湿润性。添加不同稀土的效果有差别能较好解释这一点，由于各稀土改善WC-Co润湿性效果不同。

实施案例5：

分别以白钨和黑钨为原料制备的YG6硬质合金在硬度和抗弯强度两个主要指标上有高有底，用白钨制备的YG6合金的硬度稍高于用黑钨制备的YG6合金，但前者的抗弯强度大大低于后者的抗弯强度，与两种原料制备的纯YG6合金相比，用添加稀土的白钨制备的合金的磁性能和力学性能均有不同程度的提高。Ce-YG6和Y-YG6合金钴磁分别达到了5.30%和5.40%，与YG6硬质合金的相比，分别提高了9.28%和10.67%。Ce和Y对YG6合金矫顽磁力影响相差较大，添加Ce的合金提高了5.30%，而添加Y的合金增幅达23.96%。两种稀土对YG6合金力学性能的改善程度也有区别，Y的改善效果更佳，Y-YG6合金硬度、抗弯强度和断裂韧性分别达到了HRA93.0、2700MPa和13.31MPa·m1/2，分别提高了1.70、50.54%和11.12%。钴磁是WC-Co硬质合金中的Co在磁场中能被磁化的部分占被测合金质量的百分比。它与Co相中的W和C溶解度有关，因为合金中游离碳含量不大，溶解在Co中的C可忽略不计，所以钴磁主要与Co相中W的溶解度有关。而合金粘结相中W的溶解度主要受制于合金C含量，也就是说可以用钴磁来衡量合金中的含碳量。钴磁小于4.67时有脱碳倾向，其值越小脱碳越严重，钴磁大于5.71时合金可能会发生渗碳而导致抗弯强度有急剧下降的趋势，当合金的钴磁在4.9%～5.3%之间时，合金的抗弯强度较高。添加Ce和Y后合金钴磁分别为5.30%和5.41%正在此范围之内，合金的断裂韧性和抗弯强度均增加了。这是因为合金粘结相Co中固溶一定量的W会产生位错作用使α-Co在粘结相中所占比例增多，γ-Co(密排六方晶格)的比例减少，增大了合金的钴磁。因α-Co相有10个滑移系而γ-Co只有2个滑移系，所以提高Co相的塑形应变能力使合金的变形能力得到加强，进而增加了合金的断裂韧性和抗弯强度。矫顽磁力表示合金抵抗去磁的能力，主要与Co的均匀分布程度、Co层的厚度和WC的晶粒度有关。在同一Co含量下可通过矫顽磁力值可以衡量合金中WC的晶粒度。在这三种合金中添加Y合金的矫顽磁力最大，然后是添加Ce合金，最小的是纯YG6合金，这个顺序与这三种合金的平均晶粒大小顺序是相对应的。这是因为WC晶粒尺寸越小，粘结相的平均自由程越短，则合金的矫顽磁力就越大，另外， Co相分布均匀程度为Y-YG6＞Ce-YG6＞YG6，与三种合金的矫顽磁力大小顺序相符，这说明了合金中Co相分布越均匀其矫顽磁力也越大。每种合金的洛氏硬度和维氏硬度均能很好地对应上，从这两种硬度值来看添加稀土对YG6合金硬度影响不大，略有增加。其原因主要和合金的晶粒度细化相关，稀土能够起到细化YG6合金使硬质相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YG6合金的硬度。

实施案例6：

未添加稀土的YG6合金抗弯断口明显属于脆性断裂，断裂模式为沿晶断裂，整个试样的断裂是在WC相与Co相的界面上发生的，未见WC颗粒劈裂的情况。稀土YG6合金抗弯断口呈现以沿晶脆性断裂为主和少量穿晶塑性断裂为辅的混合断裂特征。部分WC晶粒发生劈裂，断裂方式的改变提高了合金的强度。稀土元素的化学性质极为活泼，与氧、硫、钙和硅等杂质元素具有较强的亲和力，在硬质合金烧结过程中稀土易与这些杂质元素形成复杂化合物，来起到净化晶界和相界的作用，提高界面强度以及改善硬质合金的力学性能。

Claims

1.一种含Ce和Y的YG6硬质合金的制备原料包括：化学成分为钴粉含6%、各稀土添加量为2%、余量为碳化钨粉的硬质合金。

2.根据权利要求1所述的含Ce和Y的YG6 硬质合金，其特征是含Ce和Y的YG6 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，配好后倒入硬质合金球磨罐中进行湿磨，球磨介质为无水乙醇，球磨机转速为70r/min，球料比为7:1，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50min，干燥温度为40℃，随后加入石蜡作为成形剂进行制粒，将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，压制压力为180MPa，将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。

3.根据权利要求1所述的含Ce和Y的YG6 硬质合金，其特征是含Ce和Y的YG6 硬质合金的检测步骤为：抗弯强度采用三点抗弯法测定，密度采用阿基米德排水法测定，硬度采用H50A洛氏硬度计和Dura50全自动维氏硬度计测定，断裂韧性采用压痕法测定，矫顽磁力和钴磁采用MAT96型矫顽磁力测量仪和MAT97MS型钴磁测量仪检测，断口形貌采用NovaSEM450场发射扫描电镜及牛津能谱仪观察，物相分析采用D8X射线衍射仪。

4.根据权利要求1所述的含Ce和Y的YG6 硬质合金，其特征是所述的含Ce和Y的YG6硬质合金，稀土元素的添加能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有均匀的内部结构，晶粒尺寸细小，稀土元素的添加能够提高硬质合金磁性能，合金钴磁和矫顽磁力最大增幅分别达19%和37%，所述的含Ce和Y的YG6硬质合金，添加白钨制备的YG6合金性能优于黑钨制备的YG6合金性能，所述的含Ce和Y的YG6硬质合金，稀土与杂质元素形成的化合物量少且分布随机，较难用X射线衍射分析和透射电镜选区电子衍射技术确定具体物相。