CN1861295A - 含稀土纳米晶增强相的钴粉及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含稀土纳米晶增强相的钴粉及其制备方法，钴粉包括由主原料份和辅助原料份制得的相应合金相，而主原料份包括氧化钴组份、钨组份和稀土组份，其中，由Co2O3与Co3O4组成的氧化钴组份的重量份为：92.5～98.3，由W与WC组成的钨组份的重量份为：0.5～1.5，由Y2O3、CeO2与La2O3组成的稀土组份的重量份为：0.2～2.5，辅助原料份包括重量份为：余量，其包括镍组份Ni、碳化钒组份VC、碳化铬组份Cr3C2和复式碳化物组份(Ti，W)C其中一或几种；钴粉中稀土纳米晶增强相的晶粒尺寸为2～10nm。本发明的钴粉生产工艺简单、能减少或抑制合金钴相的hcp结构、提高硬质合金成品质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质合金原材料，更具体地说，本发明尤其涉及一种含稀土增强相的钴粉及其制备方法。
背景技术
我国是硬质合金生产大国，却不是硬质合金生产强国。而钴是生产硬质合金的重要原料之一。我国的钴矿稀少，但稀土矿资源却非常丰富。开发含稀土增强相的Co粉，对制备高、精、尖的硬质合金产品，提高我国硬质合金生产工业水平意义重大。由于国内生产技术水平落后，与发达国家水平相比，我国的硬质合金产品质量较差，大部分产品性能偏低，仍属于低技术含量和低附加值的初级产品，使用寿命较短，平均售价较发达国家约低1～2倍。这其中的一个主要原因在于：国内企业在硬质合金原料中添加的都是普通钴粉，而普通钴粉在使用条件下为hcp(密排六方)相结构，因而极大地影响了硬质合金成品的韧性、抗弯强度、硬度和耐磨性能，致使硬质合金成品质量差、使用寿命较低。
发明内容
针对现有技术的上述缺点，本发明所要达到的技术目的是要提供一种生产工艺简单、能减少或抑制合金钴相的hcp结构、提高硬质合金成品质量的含稀土纳米晶增强相的钴粉及其制备方法。
为此，本发明的技术解决方案之一是一种含稀土纳米晶增强相的钴粉，该钴粉中包括由主原料份和辅助原料份制得的相应合金相，所述主原料份包括氧化钴组份、钨组份和稀土组份，其中，由Co2O3与Co3O4组成的氧化钴组份的重量份为：92.5～98.3，由W与WC组成的钨组份的重量份为：0.5～1.5，由Y2O3、CeO2与La2O3组成的稀土组份的重量份为：0.2～2.5，而所述辅助原料份的重量份为：余量，所述辅助原料份包括如下一种或几种组份：镍组份Ni、碳化钒组份VC、碳化铬组份Cr3C2和复式碳化物组份(Ti，W)C；所述钴粉中稀土纳米晶增强相的晶粒尺寸为2～10nm。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：
1、本发明经过探索、实验得到的含稀土纳米晶增强相的Co粉，含有微量的稀土、W+WC、Ni和其它碳化物粉末，这些成分组成的含稀土纳米晶增强相，将减少或抑制合金钴相的hcp结构出现，并对硬质合金具有弥散强化和净化晶界杂质等作用。
2、用本发明的含增强相钴粉制备出的硬质合金耐磨性和硬度，抗弯强度和断裂韧性都有较大提高。
3、本发明产品的制备简单，成本低廉，适合于常规生产工艺。
本发明的含稀土纳米晶增强相的钴粉的进一步改进包括：
辅助原料份中所述各组份相对所述主、辅原料总量的重量份分别如下：镍组份Ni：0.5～1.0，碳化钒组份VC：0.2～0.5，碳化铬组份Cr3C2：0.2～0.5，复式碳化物组份(Ti，W)C：0.1～0.5。
其中，复式碳化物(Ti，W)C是由C+TiO2+TiC+WC的混合物直接经过高温碳化之后制得，可以看成是一种物质。由于原料和工艺均不同，所以，TiC+WC和(Ti，W)C的性质也不相同，加入到金属里面，产生的效果也不一样。
所述辅助原料份还包括由TiC+TaC+NbC组成的碳化物组合份，该碳化物组合份相对主、辅原料总量的重量份为：0～1。
用本发明的钴粉作粘结相所制成的硬质合金块体材料，其钴相结构主要为fcc(面心立方体)。与普通硬质合金相比，合金块体耐磨性提高20～50％，HRA提高1～3，抗弯强度提高15～30％，断裂韧性提高20～25％，可广泛用于硬质合金制作刀具、钻具、模具、量具及各种耐磨零件。
相应地，本发明的另一技术解决方案是一种含稀土纳米晶增强相钴粉的制备方法，该制备方法包括以下工艺步骤：
该制备方法包括以下工艺步骤：
步骤A，按以下重量比例对微米粒度的各原料份进行配料，其中，主原料份：Co2O3+Co3O4混配而成的氧化钴组份：92.5～98.3，W+WC混配而成的钨组份：0.5～1.5，Y2O3+CeO2+La2O3混配而成的稀土组份：0.2～2.5；而包括镍组份Ni、碳化钒组份VC、碳化铬组份Cr3C2和复式碳化物组份(Ti，W)C其中一种或几种的辅助原料份的重量比例：0-3.5；相对原料份总量添加如下物质的重量份分别为：研磨分散剂：0.5～2，助剂：5～15；然后配制得到微粉；
步骤B，将配制好的微粉加入高能球磨罐内，按照微粉∶球＝1∶10～30的重量比例加入硬质合金磨球，磨球直径为φ3～φ30mm；
步骤C，将球磨罐内抽真空，然后通入氩气保护；
步骤D，将充满氩气的球磨罐密封后，进行高能球磨，控制球磨罐转速为200～500转/分钟、球磨时间为40～80小时，得到含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O4粉末；其中，球磨罐转速过低，导致球能量太小，而球磨罐转速过高又会产生磨球贴在筒壁上现象，二者都会影响到破碎效果降低。
步骤E，将含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O43粉末在H2中还原，得到尺寸为2～10nm的含稀土纳米晶增强相的Co粉。
本发明的制备工艺采用高能球磨机设备，将特有组份和配比的原料粉末按一定配比作机械混合、并作中长时间运转，将球磨机设备中的回转机械能传递给原料粉末，而微米级的原料粉末在球磨介质的反复冲撞下，承受冲击、剪切、摩擦和压缩多种力的作用，经历反复的粉碎，挤压、晶体破坏、晶体重构及冷焊合等历程，粉末界面能级升高促使界面附近原子间发生相互扩散或固态反应，从而形成弥散分布的纳米级的超细粒子合金粉末，即所谓的机械合金化过程。而本发明特有组份和配方的原料粉末在所经历的机械合金化过程中，最终形成了fcc为主晶体结构的Co粉，经试验证实，其可将硬质合金块体材料的硬度和抗弯强度大幅提高。
很明显，本发明的制备工艺简单，成本低廉，适合于常规生产工艺，除高能球磨设备外，不需其它额外设备。
本发明的钴粉制备方法的进一步包括如下操作和内容：
所述步骤A中，辅助原料份中所述各组份的重量比例为：Ni：0～1.0，VC：0～0.5，Cr3C2：0～0.5，复式碳化物组份(Ti，W)C：0～0.5，上述各组份的重量比例不同时为零。
所述辅助原料份还包括由TiC+TaC+NbC组成的碳化物组合份，其重量比例为：0～1。
所述步骤A中，W+WC粉的费氏平均粒度为0.5～5μm，Co2O3+Co3O4粉的费氏平均粒度为0.5～5μm，Y2O3+CeO2+La2O3粉的费氏平均粒度为0.1～3μm。
所述步骤A中，所述辅助原料份中的各组份的费氏平均粒度为0.1～5μm。
所述步骤A中，所述的研磨分散剂为十八酸，所述的助剂为石蜡。研磨分散剂十八酸即硬脂酸，是一种两亲性的有机酸，除具有表面活性作用，且其端基的羧酸基几乎同所有金属离子都有较强的配位作用，再者，硬脂酸的熔点较低(约70℃)，低温熔融的硬脂酸酸可作为金属氧化物、氢氧化物、硝酸盐或有机羧酸盐等的溶剂，使得各种金属离子在其液相中达到高度均匀稳定的混合。本发明的工艺方法选取十八酸(硬脂酸)作研磨分散剂，就是充分利用了硬脂酸兼有配合剂和表面活性剂的均匀、稳定的双重混合作用，同时完全避免了在球磨过程中以水作为分散剂，从而有效地防止了金属离子的水解沉淀现象，大大提高了本发明方法的效率和工艺适应性。
所述的步骤C中，球磨罐抽真空至10-2～10-5Pa，通入的保护氩气的压力为102～103Pa。
所述高能球磨罐为行星式高能球磨机的部件。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1：
1、按以下组份及含量(重量份)进行配料：Co2O3+Co3O4：96，W+WC：0.5，Y2O3+CeO2+La2O3：1.5，Ni：1.0，TiC+TaC+NbC：0.5，VC：0.2，Cr3C2：0.2，复式碳化物组份(Ti，W)C：0.1，其中，W+WC粉的平均粒度(费氏)分别为2、5μm，Co2O3+Co3O4粉的平均粒度(费氏)为2μm，Y2O3+CeO2+La2O3粉的平均粒度(费氏)为0.5μm，Ni粉的平均粒度(费氏)为2μm。加入研磨分散剂十八酸和助剂石蜡的含量(重量份)分别为0.5和12；
2、将配制好的微粉加入高能球磨罐内，按(重量比)微粉∶球＝1∶30的比例加入YG10硬质合金磨球，磨球直径为φ3～φ30mm，φ30∶φ3＝7∶3；
3、将球磨罐抽真空至10-3Pa，通入氩气保护，氩气压力为103Pa；
4、将充满氩气的球料罐密封严实后，开始进行高能球磨，设备为行星式高能球磨机，控制球磨罐转速为300转/分钟、球磨时间为50小时，得到含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O4粉末。
5、还原，将含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O4粉末在H2中还原，得到含稀土纳米晶增强相的晶粒尺寸为8nm的Co粉成品；因为配料中辅助原料份比例在成品中会有所变动，成品中其他组份仅作相应小幅变动。
本实施例得到的含稀土纳米晶增强相Co粉成品，经与普通商用WC粉混合后，获得WC90％-Co10％的硬质合金混合粉末，经过常规压制、脱蜡和烧结工艺，制成稀土纳米晶增强相硬质合金块体材料，其性能如下：Co粉中稀土纳米晶增强相晶粒尺寸经用TEM、SEM和X-ray衍射及Scherrer公式计算(D＝Kλ/βcosθ)，测得D＝8nm；合金中钴相的结构用X-ray衍射检测均主要为fcc；与用普通Co粉制成的硬质合金块体材料相比，其硬质合金钴相结构主要为fcc，硬度提高3HRA，抗弯强度提高15％。
实施例2：
1、按以下组份及含量(重量份)进行配料：Co2O3+Co3O4：97，W+WC：1.0，Y2O3+CeO2+La2O3：0.5，Ni：1.0，VC：0.2，Cr3C2：0.2，复式碳化物组份(Ti，W)C：0.1，其中，W+WC粉的平均粒度(费氏)分别为3、5μm，Co2O3+Co3O4粉的平均粒度(费氏)为1μm，Y2O3+CeO2+La2O3粉的平均粒度(费氏)为0.2μm，Ni粉的平均粒度(费氏)为1μm。加入研磨分散剂十八酸和助剂石蜡的含量(重量份)分别为0.5和12；
2、将配制好的微粉加入高能球磨罐内，按(重量比)微粉∶球＝1∶30的比例加入YG10硬质合金磨球，磨球直径为φ3～φ30mm，φ30∶φ3＝7∶3；
3、将球磨罐抽真空至10-3Pa，通入氩气保护，氩气压力为103Pa；
4、将充满氩气的球料罐密封严实后，开始进行高能球磨，设备为行星式高能球磨机，控制球磨罐转速为400转/分钟、球磨时间为70小时，得到含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O4粉末。
5、还原，将含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O4粉末在H2中还原，得到含稀土纳米晶增强相的晶粒尺寸为5nm的Co粉成品；因为配料中辅助原料份比例在成品中会有所变动，成品中其他组份仅作相应小幅变动。
本实施例得到的含稀土纳米晶增强相Co粉成品，经与普通商用WC粉混合后，获得WC90％-Co10％的硬质合金混合粉末，经过常规压制、脱蜡和烧结工艺，制成稀土纳米晶增强相硬质合金块体材料，其性能如下：Co粉中稀土纳米晶增强相晶粒尺寸经用TEM、SEM和X-ray衍射及Scherrer公式计算(D＝Kλ/βcosθ)，测得D＝5nm；合金中钴相的结构用X-ray衍射检测均主要为fcc；与用普通Co粉混合制成的WC90％-Co10％硬质合金块体材料相比，其硬质合金钴相结构主要为fcc，硬度提高1.5HRA，抗弯强度提高25％。
实施例3：
1、按以下组份及含量(重量份)进行配料：Co2O3+Co3O4：98，W+WC：0.5，Y2O3+CeO2+La2O3：0.5，Ni：0.5，VC：0.2，Cr3C2：0.2，复式碳化物组份(Ti，W)C：0.1，其中，W+WC粉的平均粒度(费氏)为5、5μm，Co2O3+Co3O4粉的平均粒度(费氏)为3μm，Y2O3+CeO2+La2O3粉的平均粒度(费氏)为1μm，Ni粉的平均粒度(费氏)为2μm。加入研磨分散剂十八酸和助剂石蜡的含量(重量份)分别为0.5和12；
2、将配制好的微粉加入高能球磨罐内，按(重量比)微粉∶球＝1∶30的比例加入YG10硬质合金磨球，磨球直径为φ3～φ30mm，φ30∶φ3＝7∶3；
3、将球磨罐抽真空至10-3Pa，通入氩气保护，氩气压力为103Pa；
4、将充满氩气的球料罐密封严实后，开始进行高能球磨，设备为行星式高能球磨机，控制球磨罐转速为500转/分钟、球磨时间为80小时，得到含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O4粉末。
5、还原，将含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O4粉末在H2中还原，得到含稀土纳米晶增强相的晶粒尺寸为3nm的Co粉成品；因为配料中辅助原料份比例在成品中会有所变动，成品中其他组份仅作相应小幅变动。
本实施例得到的含稀土纳米晶增强相Co粉成品，经与普通商用WC粉混合后，获得WC90％-Co10％的硬质合金混合粉末，经过常规压制、脱蜡和烧结工艺，制成稀土纳米晶增强相硬质合金块体材料，其性能如下：Co粉中稀土纳米晶增强相晶粒尺寸经用TEM、SEM和X-ray衍射及Scherrer公式计算(D＝Kλ/βcosθ)，测得D＝3nm；合金中钴相的结构用X-ray衍射检测均主要为fcc；与用普通Co粉制成的硬质合金块体材料相比，其硬质合金钴相结构主要为fcc，硬度提高2HRA，抗弯强度提高30％。
Claims (10)
1、一种含稀土纳米晶增强相的钴粉，其特征在于：该钴粉中包括由主原料份和辅助原料份制得的相应合金相，所述主原料份包括氧化钴组份、钨组份和稀土组份，其中，由Co2O3与Co3O4组成的氧化钴组份的重量份为：92.5～98.3，由W与WC组成的钨组份的重量份为：0.5～1.5，由Y2O3、CeO2与La2O3组成的稀土组份的重量份为：0.2～2.5，而所述辅助原料份的重量份为：余量，所述辅助原料份包括如下一种或几种组份：镍组份Ni、碳化钒组份VC、碳化铬组份Cr3C2、复式碳化物组份(Ti，W)C；所述钴粉中稀土纳米晶增强相的晶粒尺寸为2～10nm。
2、如权利要求1所述的含稀土纳米晶增强相的钴粉，其特征在于：辅助原料份中所述各组份相对所述主、辅原料总量的重量份分别如下：镍组份Ni：0.5～1.0，碳化钒组份VC：0.2～0.5，碳化铬组份Cr3C2：0.2～0.5，复式碳化物组份(Ti，W)C：0.1～0.5。
3、如权利要求1或2所述的含稀土纳米晶增强相的钴粉，其特征在于：所述辅助原料份还包括由TiC+TaC+NbC组成的碳化物组合份，该碳化物组合份相对主、辅原料总量的重量份为：0～1。
4、一种含稀土纳米晶增强相钴粉的制备方法，该制备方法包括以下工艺步骤：
步骤A，按以下重量比例对微米粒度的各原料份进行配料，其中，主原料份：Co2O3+Co3O4混配而成的氧化钴组份：92.5～98.3，W+WC混配而成的钨组份：0.5～1.5，Y2O3+CeO2+La2O3混配而成的稀土组份：0.2～2.5；而包括镍组份Ni、碳化钒组份VC、碳化铬组份Cr3C2和复式碳化物组份(Ti，W)C其中一种或几种的辅助原料份的重量比例：0-3.5；相对原料份总量添加如下物质的重量份分别为：研磨分散剂：0.5～2，助剂：5～15；然后配制得到微粉；
步骤B，将配制好的微粉加入高能球磨罐内，按照微粉∶球＝1∶10～30的重量比例加入硬质合金磨球，磨球直径为φ3～φ30mm；
步骤C，将球磨罐内抽真空，然后通入氩气保护；
步骤D，将充满氩气的球磨罐密封后，进行高能球磨，控制球磨罐转速为200～500转/分钟、球磨时间为40～80小时，得到含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O4粉末；
步骤E，将含稀土纳米晶增强相的Co2O3+Co3O43粉末在H2中还原，得到尺寸为2～10nm的含稀土纳米晶增强相的Co粉。
5、如权利要求4所述的含稀土纳米晶增强相的钴粉的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，辅助原料份中所述各组份的重量比例为：Ni：0～1.0，VC：0～0.5，Cr3C2：0～0.5，复式碳化物组份(Ti，W)C：0～0.5。
6、如权利要求4所述的含稀土纳米晶增强相的钴粉的制备方法，其特征在于：所述辅助原料份还包括由TiC+TaC+NbC组成的碳化物组合份，其重量比例为：0～1。
7、如权利要求4所述的含稀土纳米晶增强相的钴粉的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，W+WC粉的费氏平均粒度为0.5～5μm，Co2O3+Co3O4粉的费氏平均粒度为0.5～5μm，Y2O3+CeO2+La2O3粉的费氏平均粒度为0.1～3μm。
8、如权利要求4所述的含稀土纳米晶增强相的钴粉的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，所述辅助原料份中的各组份的费氏平均粒度为0.1～5μm。
9、如权利要求4所述的含稀土纳米晶增强相的钴粉的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，所述的研磨分散剂为十八酸，所述的助剂为石蜡。
10、如权利要求4所述的含稀土纳米晶增强相的钴粉的制备方法，其特征在于：所述的步骤C中，球磨罐抽真空至10-2～10-5Pa，通入的保护氩气的压力为102～103Pa。
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| CN100409978C (zh) | 2008-08-13 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHENZHEN CITY GELINMEI HIGH NEW TECHNOLOGY CO., L Free format text: FORMER OWNER: SHENZHEN CITY GELINMEI HIGH NEW TECHNOLOGY CO., LTD.; APPLICANT Effective date: 20071214 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
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