一种提高稀土氧化物在硬质合金中应用效果的碳控制技术

摘要

一种提高稀土氧化物在硬质合金中应用效果的碳控制技术，所述碳控制技包括（1）配碳量计算：根据公式

说明书

 

技术领域    

    本发明涉及一种提高稀土氧化物在硬质合金中应用效果的碳控制技术，属粉末冶金技术领域。

背景技术    

WC-Co硬质合金具有极高的硬度和耐磨性、极高的抗压强度、较好的化学稳定性等优良性能。作为一种高效的工具材料和结构材料，近年来硬质合金的应用领域不断拓展，对我国的工业发展和科技进步起到了极其重要的推动作用。然而，与发达国家硬质合金产品相比，我国硬质合金产品尚存在强度和韧性不足的弱点，在使用性能和有效寿命方面存在一定差距。

杂质元素在相界面的富集是硬质合金韧性不高的主要原因。稀土元素易与界面上的杂质形成复杂化合物，起到改善夹杂物形态和净化相界的作用。在硬质合金中添加微量稀土元素，可以抑制烧结过程中合金的晶粒长大，提高合金的强度和韧性，进而提高硬质合金产品的使用寿命。

稀土元素的化学性质活泼，在硬质合金生产工艺过程中极容易被氧化。稀土在硬质合金中最简单也最常见的添加形态是稀土氧化物。然而，稀土氧化物在硬质合金中的应用效果并不稳定，严重影响了稀土硬质合金的产业化进程。本发明通过大量前期研究发现，碳控制是决定稀土氧化物在硬质合金中应用效果的关键问题之一。在稀土硬质合金制备过程中进行适宜的碳控制，可明显提高稀土硬质合金产品的综合性能。

发明内容    

本发明的目的是，为了有效地提高稀土氧化物在硬质合金中的应用效果，本发明公开一种提高稀土氧化物在硬质合金中应用效果的碳控制技术。

实现本发明碳控制技术的技术方案是，本发明提高稀土氧化物在硬质合金中应用效果的碳控制技术包括以下步骤：

（1）配碳量计算：根据公式

计算配碳量，其中C_t为总配碳量，C_WC为碳化钨中实际碳含量与目标碳含量之间的差量（目标碳含量是一个经验值，一般通过实验方法进行确定），C_ReO为稀土氧化物在硬质合金制备过程中所消耗的碳量，C_ReO按照“稀土氧化物+碳→稀土+一氧化碳”的化学式进行计算，A是0.8～1.2的常数，一般通过实验方法进行确定，对于不同种类的稀土氧化物，A值略有差别。

（2）烧结过程中的真空度控制：按照常规硬质合金制造工艺将混合粉进行球磨、压制和烧结。在烧结过程中，出现液相以前或在1000～1200℃时真空烧结炉内的真空度不高于8Pa，以利于脱氧排气。

本发明碳控制技术中采用的稀土氧化物是氧化铈、氧化钇、氧化镧、氧化镨和氧化钕中的一种或几种。稀土氧化物的粒度不大于5微米，纯度高于99.9%。

本发明碳控制技术的对象硬质合金的组分为WC硬质相、Co粘结相和稀土氧化物。其中Co粘结相的质量百分比为5～15%，稀土氧化物的质量百分比为0.05～4%，WC硬质相为余量。

本发明的有益效果是，本发明碳控制在配料和烧结步骤完成，基本上不改变原硬质合金制造工艺和设备；本发明碳控制技术的通用性强，对不同成份体系的硬质合金以及添加不同种类的稀土氧化物都可适用；本发明碳控制技术的效果良好，可解决稀土氧化物应用于硬质合金中的脱碳问题，明显提高稀土硬质合金产品的综合性能。

本发明适用于稀土硬质合金的制备及其性能优化。

附图说明    

    图1为本发明碳控制技术流程图。

具体实施方式

    本发明碳控制技术的具体实施方式如图1所示。其控制步骤如下：

（1）配碳量计算：根据公式

计算配碳量。

（2）配料：将碳化钨粉、钴粉、稀土氧化物和炭黑按配比进行配制。

（3）球磨：在混合粉中加入适量酒精和成型剂进行球磨。

（4）压制：压制成型。

（5）烧结：进行真空烧结，在出现液相以前（1000～1200℃）炉内真空度不高于8Pa，以利于脱氧排气。

实施例1

（1）配碳量计算

针对“916克WC粉末（粒度3-5μm）+80克Co粉+4克氧化铈粉”成分的硬质合金进行配碳量计算。所选用WC粉末的实际碳含量为6.00%，前期通过大量实验将目标碳含量确定为6.13%，因而C_WC为(6.13%-6.00%)×916克=1.19克。C_ReO按照“氧化铈+碳→铈+一氧化碳”的化学式进行计算，计算结果为C_ReO=0.56克，A值通过实验确定为1，则总配碳量应为C_t=C_WC+A×C_ReO=1.75克。

本实施例为了说明加入氧化铈后配碳量的变化，在成分1中加入的炭黑量为C_WC=1.19克（不考虑氧化铈消耗的碳量C_ReO），在成分2中加入的炭黑量为C_t=1.75克，比较两种成分配炭后的效果。

（2）配料

成分1：916克WC粉末（粒度3-5μm）+80克Co粉+4克氧化铈粉+1.19克炭黑；

成分2：916克WC粉末（粒度3-5μm）+80克Co粉+4克氧化铈粉+1.75克炭黑。

（3）球磨、烧结

按照相同工艺，将两种成分的混合料分别进行球磨，加入无水乙醇320毫升、成型剂聚乙二醇20克，球料质量比4：1，湿磨48小时。经85±5℃干燥后，用80目筛网擦筛。压制出14根试验条，在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1450℃，保温1小时。检测其中2根试验条的密度、2根试验条的硬度和10根试验条的抗弯强度，检测结果取平均值。

对于成分1和成分2，其在烧结过程中，1000～1200℃时真空烧结炉内的真空度为6～7Pa。

成分1制备硬质合金的密度为14.69 g/cm³，硬度HRA为91.2，抗弯强度为1820 N/mm²，金相检测结果显示该合金组织内部严重脱碳。

成分2制备硬质合金的密度为14.73 g/cm³，硬度HRA为92.0，抗弯强度为1960 N/mm²，金相检测结果显示该合金组织内部无脱碳或渗碳相。

金相检测结果表明本实施例成分2硬质合金的碳控制效果较好。

实施例2

（1）配碳量计算

WC粉末的实际碳含量为6.00%，前期通过大量实验将目标碳含量确定为6.13%，因而本实施例“配料”步骤中的成分1中C_WC为(6.13%-6.00%)×920克=1.20克，成分2和成分3中C_WC为(6.13%-6.00%)×917克=1.19克。C_ReO按照“氧化钇+碳→钇+一氧化碳”的化学式进行计算，成分1中C_ReO=0.00克，成分2和成分3中C_ReO=0.48克，A值通过实验确定为1.1。

则成分1中总配碳量C_t=C_WC+A×C_ReO=1.20克+1.1×0.00克=1.20克；

成分2和成分3中总配碳量C_t=C_WC+A×C_ReO=1.19克+1.1×0.48克=1.72克；

本实施例成分1中加入的炭黑量为C_t=1.20克，成分2中加入的炭黑量为C_t=1.72克，成分3中加入的炭黑量为C_t=1.72克。

（2）配料

成分1：920克WC粉末（粒度2～4μm）+80克Co粉+1.20克炭黑；

成分2：917克WC粉末（粒度2～4μm）+80克Co粉+3克氧化钇粉+1.72克炭黑；

成分3：917克WC粉末（粒度2～4μm）+80克Co粉+3克氧化钇粉+1.72克炭黑。

（3）球磨、烧结

按照相同工艺，将三种成分的混合料分别进行球磨，加入无水乙醇320毫升、成型剂聚乙二醇20克，球料质量比4：1，湿磨48小时。经85±5℃干燥后，用80目筛网擦筛。压制出14根试验条，在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1450℃，保温1小时。检测其中2根试验条的密度、2根试验条的硬度、10根试验条的抗弯强度，检测结果取平均值。

对于成分1和成分2，其在真空烧结过程中，1000～1200℃时真空烧结炉内的真空度为6～7Pa。对于成分3，其在真空烧结过程中，1000～1200℃时真空烧结炉内的真空度为9～15Pa。

成分1制备硬质合金的密度为14.86 g/cm³，硬度HRA为91.8，抗弯强度为1920 N/mm²。金相检测结果显示该合金组织内部无脱碳或渗碳相。

成分2制备硬质合金的密度为14.83 g/cm³，硬度HRA为92.2，抗弯强度为2010 N/mm²。金相检测结果显示该合金组织内部无脱碳或渗碳相。

成分3制备硬质合金的密度为14.83 g/cm³，硬度HRA为92.1，抗弯强度为1980 N/mm²。金相检测结果显示该合金组织内部无明显脱碳或渗碳相。

上述三种硬质合金的组织内部均无脱碳或渗碳相，表明本实施例三种硬质合金的碳控制效果良好。

成分1和成分2制备的硬质合金对比而言，成分2制备硬质合金的密度略有降低，但其硬度和抗弯强度明显提高，表明氧化钇可以改善硬质合金的综合性能；成分2和成分3制备的硬质合金对比而言，成分2制备硬质合金的硬度和抗弯强度较高，表明烧结过程中的真空度控制对硬质合金的性能有一定的影响，真空度的提高有利于改善硬质合金产品的性能。