[发明专利]一种稀土添加超细晶高韧性WC-10Co硬质合金材料及制备方法

说明书

一种稀土添加超细晶高韧性WC‑10Co硬质合金材料及制备方法，属于粉末冶金领域。所述硬质合金成分为:碳化钨88.7％‑89.1％，钴10％，碳化钒0.5％，碳化铬0.3％，氧化镨0.1％‑0.5％(或者氧化钕0.1％‑0.5％)。稀土氧化物可以通过影响粘结相Co中W元素含量以及影响烧结中液相温度来细化WC晶粒，从而提高硬质合金硬度；并且稀土氧化物可以通过作用Co相，增强韧性。随着稀土氧化物含量增加则会恶化合金连续性，因此将稀土氧化物添加含量限制在一定范围之内。本发明通过球磨、压型和真空烧结方式制备得到稀土添加超细晶高韧性WC‑10Co硬质合金。本发明的硬质合金晶粒尺寸细小，最小达到190nm，不但具有较高的硬度，最高可达2100HV，同时还有良好的韧性，最高可达28.17MPa·m^1/2，未有公开报道硬质合金产品可同时兼具如此高硬度和高韧性。

技术领域

本发明涉及一种稀土添加超细晶高韧性WC-10Co硬质合金材料及制备方法，属于粉末冶金领域。

背景技术

硬质合金具有硬度高、强度高、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。硬质合金号称“工业牙齿”，在工业生产中的各个领域的应用非常广泛，它经常用于切削、钻探、采矿、成型和其他工具制造，未来在航天航空、汽车工业、高端装备制造业等领域有很大的需求。随着WC粒度的减小，其硬度和耐磨性有很大起升的同时，其韧性也有很大的改善。目前常见的抑制剂有VC、Mo₂C、Cr₃C₂、NbC、TaC等。

查阅到的硬质合金专利比较多，主要聚焦在成分设计(粘结相、抑制剂选择)、烧结工艺或者制备硬质合金涂料和梯度硬质合金上，现在成分设计与烧结工艺方面列举下面几个例子加以说明：

中国专利申请CN201910684705.2介绍了一种硬质合金材料，该硬质合金晶粒抑制剂包括VC、TiC、Cr₃C₂或TaC，在脱蜡烧结之后采用选区激光熔化3D打印技术制备硬质合金样件，最后得到硬质合金材料硬度达到1687.5HV，断裂韧性为19.5MPa·m^1/2。与该专利相比，本专利在添加稀土氧化物之后，选择简单的真空烧结方式，烧结方式节约能源，不仅提高硬质合金的断裂韧性，而且还提高材料的硬度。另外本发明制备大尺寸块体硬质合金较为方便。

稀土抑制剂作为一种新型抑制剂收到广泛关注，中国有稀土资源丰富，稀土抑制剂研究大部分集中在中国。稀土作为抑制剂，可以提高硬质合金性能，由于氧化物弥散强化效应和WC细晶强化，混合少量的稀土元素可使硬质合金的力学性能得到优化，获得优异的强韧性。

中国专利申请CN201010184362.2介绍了一种稀土添加硬质合金材料，该硬质合金在VC+Cr₃C₂的基础上选择添加NdB₆，通过球磨、压型以及低压烧结工艺制备硬质合金，硬度HRA超过93，断裂韧性超过10MPa·m^1/2，WC晶粒尺寸低于400nm。该专利使用的NdB₆需要复杂的制备流程，成本较高，本专利使用抑制剂为氧化镨和氧化钕，获取方便，成本降低，并且断裂韧性大幅度提高，最高可达28.17MPa·m^1/2，WC晶粒尺寸最小达到190nm。

中国专利申请CN201110291387.7介绍含轻重稀土复合添加剂的超细YG类硬质合金，其抑制剂包括VC、Cr₃C₂、TaC、NbC中一种或者几种和多种轻重稀土联合掺杂使用，真空烧结之后还使用深冷处理，最后制备得到晶粒尺寸约500nm的硬质合金。该专利使用抑制剂的种类众多，制备过程复杂，本专利选取在VC+Cr₃C₂的基础上添加Pr₆O₁₁或者Nd₂O₃，仅使用真空烧结，最后制备得到190-350nm的硬质合金，与之相比试验过程简单，避免抑制剂配比的繁琐过程，并且获得更加细小的WC晶粒。