CN1746323A

CN1746323A - 一种非稳定态钇氧化锆增韧增强碳化钨复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN1746323A
Application number: CN 200510086630
Authority: CN
Inventors: 韩静涛; 安林
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2006-03-15

Abstract

一种非稳定态钇氧化锆增韧增强碳化钨复合材料的制备方法，属于粉末冶金工业技术领域。工艺为：首先将WC粉、Co粉和ZrO₂粉按以下配比称重，ZrO₂粉为1～8wt％，Co粉为10～20wt％，余量为WC粉；将配比称重好的WC粉、Co粉和ZrO₂粉用湿式球磨方式在球磨机中混合，混合35～50小时，混合后采用冷压成型，真空烧结后热等静压制备WC、Co及ZrO₂三种主要成分的复合金属陶瓷材料。本发明的优点在于：材料的耐磨性有明显改善，其抗弯强度和冲击韧性有明显提高；非稳定态钇氧化锆ZrO₂明显抑制了非化合碳，细化明显。

Description

一种非稳定态钇氧化锆增韧增强碳化钨复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金工业技术领域，特别是提供了一种非稳定态钇氧化锆增韧增强碳化钨复合材料的制备方法。

背景技术

硬质合金具有高硬度高耐磨性的特点，其性能介于陶瓷和高速钢之间，是的一种重要的工模具材料，随着发展高新技术产业要求，硬质合金制品有着更广阔的应用前景和更大的市场需求。一般提高硬质合金韧性的同时会显著降低硬质合金的硬度和耐磨性。我们利用部分稳定氧化锆t-ZrO₂→m-ZrO₂相变增韧氧化物陶瓷的特点进行了提高硬质合金的韧性和耐磨性的试验研究。

氧化锆由四方相(t-相)在制造过程或使用过程中可以变成单斜相(m-相)，利用氧化锆这种相变原理可使陶瓷增强增韧。材料中控制相变对于氧化锆增韧陶瓷的显微结构和性能十分重要。控制相变的主要因素是控制氧化锆晶粒大小和加入一定量作为的稳定剂的Y₂O₃。添加Y₂O₃稳定剂具有以下优点：1)它的相变温度低；2)它的四方相区存在的成分范围大；3)抑制ZrO₂晶粒长大；4)抑制ZrO₂的t-相向m-相的转变。对于非稳态钇氧化锆增强增韧陶瓷的机理国内外学者已经作了大量研究工作。

材料的力学行为与其显微组织密切相关，通过在合金中加入陶瓷相组成的复合金属材料性能介于金属和陶瓷之间，具有高的强韧性和硬度。含有陶瓷相的复合金属材料力学性能不但与其化学成分和制备工艺密切相关，而且与陶瓷相的粒度密切相关。四方氧化锆弥散于基体中时，基体即储存了相变弹性压应变能，由于可提高断裂，起了增韧和补强的积极作用。非稳定态钇氧化锆增强增韧的机理是：应力诱导相变增韧；微裂纹增韧；裂纹的弯曲和偏转增韧；表面强化增韧。

陶瓷相-金属复合材料的研究可以充分发挥两者的相互优点，中南大学粉末冶金国家重点实验室的范景莲教授认为陶瓷-金属复合材料可以兼顾陶瓷自身的耐高温、耐磨性好等特点，大幅度提高金属材料的综合性能。目前，国外利用非稳定态钇氧化锆增强增韧金属基复合材料还没有报道，国内哈尔滨工业大学郭英奎开展了将ZrO₂(2Y)添加到316L不锈钢粉末中的实验，对金属基复合材料中非稳定态钇氧化锆的组织结构及相变行为进行了有益的探讨，证实了非稳定态钇氧化锆相变机理在金属基复合材料中仍然起作用。

国内外生产的硬质合金材料多为WC-Co/WC-Co-Ni-Cr系硬质合金，其中作为粘接剂的Co/Co-Ni-Cr含量范围为10％～30％，人们通常采用提高粘结相的含量来提高硬质合金的韧性，但该方法在提高硬质合金韧性的同时会显著降低硬质合金的硬度和耐磨性。其生产工艺根据烧结类型可分为冷压、烧结、热压及热等静压等。近年来国内外比较关注的一种新型WC-Fe\Co\Ni系硬质合金材料，由于采用大比例的Fe、Ni取代Co作合金粘结剂，又有人称之为铁基硬质合金。德国、奥地利、日本的研究学者认为：以这种富铁粘结剂制取的WC基合金就其抗弯强度、硬度、高温强度、抗腐蚀性、断裂韧性等性能而言，即使不超过WC-Co合金，至少也与其相当。从目前的报道来看，美国、德国、奥地利、日本、俄罗斯等国都成功研制了这类合金，并且有的已投入工业生产。但是以铁作粘结相主要成分的硬质合金制品主要存在问题是很难获得理想的WC+γ两相组织，总是并存有害的第三相，即要么并存复杂碳化物(M₆C)，要么并存石墨相，此外还存在以下问题：在其存放时，受到空气和潮湿气氛的侵蚀产生锈斑；研究和生产实践证实：Fe粉、Ni粉在湿磨过程中“聚集”现象十分严重，其原因是与Fe粉、Ni粉的硬度低、塑性好有关；铁和碳可以生成较稳定的Fe₃C，铁更易于形成Me_xFe_xC_y脆性化合物，使合金脆性增加强度降低。从使用角度看，硬质合金要求具有良好的综合力学性能。我们利用非稳定态钇氧化锆在氧化物陶瓷复合增强增韧的特性，使其添加到合金中，在不改变合金组成的条件下探讨其对合金强韧性的影响，具有重要的理论意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种非稳定态钇氧化锆增韧增强碳化钨复合材料的制备方法，利用非稳定态钇氧化锆t-ZrO₂→m-ZrO₂相变增韧氧化物陶瓷的特点来提高碳化钨的抗弯强度、冲击韧性、耐磨性和硬度。

本发明的具体工艺为：

首先将WC粉、Co粉和ZrO₂粉按以下配比称重，ZrO₂粉为1～8wt％，Co粉为10～20wt％，余量为WC粉；将配比称重好的WC粉、Co粉和ZrO₂粉用湿式球磨方式在球磨机中混合，混合35～50小时，混合后采用冷压成型，然后真空烧结，真空烧结后热等静压制备WC、Co及ZrO₂三种成分的复合金属陶瓷材料；所述的ZrO₂中含有3％摩尔分数的Y₂O₃，真空烧结的真空度为300～400Pa。其中，WC粉的平均粒度为2～6μm，Co粉的平均粒度为1～2μm；非稳定态钇氧化锆ZrO₂平均粒度为0.1～1μm。

该材料采用真空烧结工艺，真空度为300～400Pa：从室温开始加热到烧结结束10～20小时，最终烧结温度1350～1400℃，并保温时间30～70分钟；烧结后采用3～6MPa热等静压处理，利用N₂气体或惰性气体保护。

优点或积极效果：

采用热等静压真空烧结工艺对ZrO₂粉、WC粉、Co粉机械混合后粉体制备试样。通过碳化钨进行添加非稳定态钇氧化锆的实验证明：添加ZrO₂的碳化钨试样在硬度不降低的前提下，耐磨性有明显改善，其抗弯强度和冲击韧性有明显提高；同时，内部组织成分也更趋于合理。从金相看，非稳定态钇氧化锆明显抑制了非化合碳，晶粒状态也优于不加，细化明显。各项指标提高范围如下：

抗弯强度提高：3％～13％；冲击韧性提高：20％～43％；密度降低：最多12％；耐磨性能提高：10％～30％；硬度提高：1％～5％。

附图说明

图1为本发明WC粉、Co粉及ZrO₂复合材料工艺流程图。

具体实施方式

1)原料的WC粉的平均粒度为4.03μm，Co粉的平均粒度为1.63μm，ZrO₂粉平均粒度(D₅₀)为0.65μm。将配方称重WC粉29Kg、Co粉7Kg和ZrO₂粉4Kg，将WC粉、Co粉和ZrO₂粉采用湿式球磨方式在球磨机中混合40小时。然后，采用真空烧结工艺(真空度为300Pa)：从室温开始加热到烧结结束14小时，最终烧结温度1380℃，并保温时间45分钟。采用真空炉进行烧结后用热等静压设备进行致密化烧结工艺，利用N₂气作为加压介质，加压3.5MPa。

2)原料的WC粉的平均粒度为4.03μm，Co粉的平均粒度为1.63μm，ZrO₂粉平均粒度(D₅₀)为0.65μm。将配方称重WC粉28Kg、Co粉5Kg和ZrO₂粉2Kg，将WC粉、Co粉和ZrO₂粉采用湿式球磨方式在球磨机中混合40小时。然后，采用真空烧结工艺(真空度为300Pa)：从室温开始加热到烧结结束14小时，最终烧结温度1350℃，并保温时间45分钟。采用真空炉进行烧结后用热等静压设备进行致密化烧结工艺，利用N₂气作为加压介质，加压3.5MPa。

Claims

1、一种非稳定态钇氧化锆增韧增强碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于：具体工艺为：首先将WC粉、Co粉和ZrO₂粉按以下配比称重，ZrO₂粉为1～8wt％，Co粉为10～20wt％，余量为WC粉；将配比称重好的WC粉、Co粉和ZrO₂粉用湿式球磨方式在球磨机中混合，混合35～50小时，混合后采用冷压成型，然后真空烧结，真空烧结后热等静压制备WC、Co及ZrO₂三种成分的复合金属陶瓷材料；所述的ZrO₂中含有3％摩尔分数的Y₂O₃，。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：采用真空烧结工艺制度，真空度为300～400Pa：从室温开始加热到烧结结束10～20小时，最终烧结温度1350～1400℃，并保温时间30～70分钟；静压制备采用3～6MPa热等静压处理，利用N₂气体或惰性气体保护。

3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：WC粉的平均粒度为2～6μm，Co粉的平均粒度为1～2μm；非稳定态钇氧化锆ZrO₂平均粒度为0.1～1μm。