一种AlCoCrFeNi作粘结剂的WC-Y2O3-ZrO2基体硬质合金的制备方法与流程

一种alcocrfeni作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种wc基硬质合金材料生产技术领域，具体涉及一种alcocrfeni作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金的制备方法。


背景技术：

2.硬质合金材料因具有卓越的综合机械性能，在机械工业中被广泛应用于凿岩工具、切削工具和机加工零件以及模具等领域。wc基硬质合金是最常用的一种硬质合金材料。由单一的wc制造的硬质合金材料具有很高的熔点从而很难烧结。因此，用于高性能切削工具和耐磨零件的硬质合金通常是通过添加co金属结合剂来诱导wc中的液相烧结而制造的。wc 和金属粘结剂co的结合使得wc-co硬质合金具有高硬度、足够的断裂韧性、优异的耐磨性和高温强度。但co是一种稀有资源，除了硬质合金领域对co的迫切需要外，新能源锂电池等诸多领域对co的需求也日益庞大，这使co资源的供给不断紧张化。并且随着硬质合金材料的使用越来越广泛，传统的wc-co硬质合金已经逐渐无法满足人们的需求。
3.有研究表明，高熵合金加入至硬质合金wc中，可以替代co做硬质合金wc的粘结剂，并且可以获得较好的硬度和断裂韧性。为了更好地获得性能优异的硬质合金材料，有研究表明，加入添加剂至合金中可将颗粒细化至亚微米甚至纳米级尺寸，提升合金力学性能,其中利用氧化物掺杂的方式提升效果明显。例如，通过加入适量ceo2可抑制wc晶粒生长，使晶粒尺寸分布更均匀，合金机械性能(如硬度和断裂韧性)得到明显提升。然而对于利用高熵合金替代co作粘结剂同时掺杂氧化物的方式用于制造wc基硬质合金的研究很少。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种alcocrfeni作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金的制备方法。本发明采用已掺杂y2o3和zro2的wc基体，并以alcocrcufeni高熵合金粉末作为粘结剂代替co，采用球磨法和放电等离子体烧结(sps)技术制备wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni 硬质合金，相比于wc-alcocrfeni硬质合金材料在硬度和断裂韧性方面上均获得了较大的提高。
5.本发明alcocrfeni作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金，其组分按质量百分比构成如下：
6.alcocrfeni 10wt％，wc-y2o
3-zro
2 90wt％(其中wc89.6％、y2o30.25％、zro20.15％)。
7.本发明alcocrfeni作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金的制备方法，是通过球磨的方法和放电等离子烧结(sps)加工制成，包括如下步骤：
8.步骤1：干磨
9.按设计组分以及球料比分别配取wc-y2o
3-zro2粉、alcocrfeni粉、硬质合金球称重配料，在充满氩气的手套箱中将配好后的粉末倒入球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于行星式球磨机中进行球磨。
10.步骤2：湿磨
11.在真空手套箱中向步骤1得到的复合粉末中加入适量的酒精于球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于球磨机中进行球磨。
12.步骤3：干燥
13.将步骤2得到固液混合体倒入烧杯中，再置于鼓风干燥箱中进行干燥，再将干燥后的粉末进行研磨。
14.步骤4：烧结
15.将步骤3得到的wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni混合粉料装入石墨模具，利用液压机对粉末进行预压制，随后放入放电等离子烧结炉中，在室温下将炉腔抽真空，然后升温至600℃并保温5min，再升温至1200℃-1300℃并保温5min，保温结束后降至室温，即得到 wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料。
16.步骤1中，所述wc-y2o
3-zro2粉、alcocrfeni粉的纯度为99.9％。
17.步骤1中，所述球磨的转速为150r/min，球磨时间为1800min，球料比为8:1。
18.步骤1中，所述手套箱的型号为zkx，所述行星式球磨机的型号为qm-qx4全方位行星式。
19.步骤2中，所述酒精纯度为分析纯，酒精量为55ml。
20.步骤2中，所述球磨的转速为150r/min，球磨时间为120min，球料比为8:1。
21.步骤2中，所述手套箱的型号为zkx，所述行星式球磨机的型号为qm-qx4全方位行星式。
22.步骤3中，所述鼓风干燥箱的型号为dhg-9070型电热恒温鼓风干燥箱，设置加热温度为140℃，干燥时间为720min。
23.步骤4中，所述石墨模具的直径为20mm。
24.步骤4中，所述放电等离子烧结炉的型号为labox-350型放电等离子烧结炉.
25.步骤4中，升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。
26.步骤4中，预压力为20mpa，最高压力为50mpa。
27.本发明的有益效果体现在：
28.1、本发明使用高熵合金alcocrfeni作为硬质合金的粘结剂，高熵合金alcocrfeni相比于传统合金具有高硬度、良好的耐磨性等优点，可以替代传统co作为粘结剂的wc基硬质合金，减少对co资源的使用，降低了成本和对环境的污染。另外高熵合金alcocrfeni可以抑制wc晶粒的生长，提高了合金的综合力学性能，wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni的硬度和断裂韧性分别达到1888.14hv和14.76mpa
·m1/2
(wc-y2o
3-zro
2-co硬质合金复合材料的硬度为1256.41hv，断裂韧性为12.46mpa
·m1/2
)。
29.2、本发明采用添加zro2和y2o3后的wc-y2o
3-zro2材料作为粘结剂alcocrfeni的基体，这相比于采用wc作为基体材料制成的硬质合金来说，wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni的 wc晶粒更加细小，材料的硬度和断裂韧性分别达到1888.14hv和14.76mpa
·m1/2 (wc-alcocrfeni硬质合金的硬度为1643.32hv，断裂韧性为11.30mpa
·m1/2
)。
30.3、本发明采用了先进的烧结技术即放电等离子烧结工艺，减少了一些晶粒的异常长大现象。
附图说明
31.图1是wc-y2o
3-zro粉末形貌图，从图1可以看出wc-y2o
3-zro2粉末颗粒形貌呈现一种多面体形状。
32.图2是alcocrfeni粉末形貌图，从图2可以看出粘结剂高熵合金alcocrfeni粉末颗粒呈现出较为规则的球形形貌。
33.图3是wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni复合粉末颗粒形貌图，从图3可以看出 wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni复合粉末形状不规则，颗粒大小分布较为均匀。
34.图4是wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金形貌图，从图4可以看出碳化钨晶粒与 alcocrfeni粘结相连接完好，wc晶粒大小分布较为均匀，孔洞和间隙很少。
具体实施方式
35.实施例1：
36.本实施例中的wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料，是由球磨的方法和放电等离子烧结(sps)加工制成，所述alcocrfeni作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金材料以质量百分比计，包括下述组分：alcocrfeni10wt％，wc-y2o
3-zro290wt％(其中wc 89.6％、y2o
3 0.25％、zro
2 0.15％)。wc-y2o
3-zro2粉末、alcocrfeni粉末的纯度为99.9％,酒精纯度为分析纯。
37.本实施例中的wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料的制备方法如下：
38.1、干磨：按wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料的设计组分以及球料比8:1 分别配取wc-y2o
3-zro2粉、alcocrfeni粉、硬质合金球称重配料，在充满氩气的手套箱中将配好后的粉末倒入球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于行星式球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为1800min。
39.2、湿磨：在真空手套箱中向干磨得到的复合粉末中加入55ml的酒精于球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为 120min。
40.3、干燥：将湿磨后得到混合液体倒入烧杯中，再置于鼓风干燥箱中进行干燥，设置加热温度为140℃，干燥时间为720min，再将干燥后的粉末进行研磨。
41.4、烧结：将干燥研磨后得到的wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni混合粉料装入石墨模具，利用液压机对粉末进行预压制，随后放入放电等离子烧结炉中，在室温下将炉腔抽真空，以 100℃/min的升温速率升温至600℃保温5min，再升温至1200℃保温5min，再以100℃/min 的降温速率降到室温，烧结时预压力设置为20mpa，最高压力设置为50mpa，即得到 wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni硬质合金复合材料。
42.烧结后wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni硬质合金复合材料的维氏硬度和断裂韧性分别达到 1470.59hv和13.93mpa
·m1/2
。
43.实施例2：
44.本实施例中的wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料，是由球磨的方法和放电等离子烧结(sps)加工制成，所述alcocrfeni作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金材料以质量百分比计，包括下述组分：alcocrfeni10wt％，wc-y2o
3-zro290wt％(其中wc 89.6％、y2o
3 0.25％、zro
2 0.15％)。wc-y2o
3-zro2粉末、alcocrfeni粉末的纯度为99.9％,
酒精纯度为分析纯。
45.本实施例中的wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料的制备方法如下：
46.1、干磨：按wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料的设计组分以及球料比8:1 分别配取wc-y2o
3-zro2粉、alcocrfeni粉、硬质合金球称重配料，在充满氩气的手套箱中将配好后的粉末倒入球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于行星式球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为1800min。
47.2、湿磨：在真空手套箱中向干磨得到的复合粉末中加入55ml的酒精于球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为 120min。
48.3、干燥：将湿磨后得到混合液体倒入烧杯中，再置于鼓风干燥箱中进行干燥，设置加热温度为140℃，干燥时间为720min，再将干燥后的粉末进行研磨。
49.4、烧结：将干燥研磨后得到的wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni混合粉料装入石墨模具，利用液压机对粉末进行预压制，随后放入放电等离子烧结炉中，在室温下将炉腔抽真空，以 100℃/min的升温速率升温至600℃保温5min，再升温至1250℃保温5min，再以100℃/min 的降温速率降到室温，烧结时预压力设置为20mpa，最高压力设置为50mpa，即得到 wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni硬质合金复合材料。
50.烧结后wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni硬质合金复合材料的维氏硬度和断裂韧性分别达到 1888.14hv和14.76mpa
·m1/2
51.实施例3：
52.本实施例中的wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料，是由球磨的方法和放电等离子烧结(sps)加工制成，所述alcocrfeni作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金材料以质量百分比计，包括下述组分：alcocrfeni10wt％，wc-y2o
3-zro290wt％(其中wc 89.6％、y2o
3 0.25％、zro
2 0.15％)。wc-y2o
3-zro2粉末、alcocrfeni粉末的纯度为99.9％,酒精纯度为分析纯。
53.本实施例中的wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料的制备方法如下：
54.1、干磨：按wc-y2o
3-zro
2-10alcocrfeni硬质合金复合材料的设计组分以及球料比8:1 分别配取wc-y2o
3-zro2粉、alcocrfeni粉、硬质合金球称重配料，在充满氩气的手套箱中将配好后的粉末倒入球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于行星式球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为1800min。
55.2、湿磨：在真空手套箱中向干磨得到的复合粉末中加入55ml的酒精于球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为 120min。
56.3、干燥：将湿磨后得到混合液体倒入烧杯中，再置于鼓风干燥箱中进行干燥，设置加热温度为140℃，干燥时间为720min，再将干燥后的粉末进行研磨。
57.4、烧结：将干燥研磨后得到的wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni混合粉料装入石墨模具，利用液压机对粉末进行预压制，随后放入放电等离子烧结炉中，在室温下将炉腔抽真空，以 100℃/min的升温速率升温至600℃保温5min，再升温至1300℃保温5min，再以100℃/min 的降温速率降到室温，烧结时预压力设置为20mpa，最高压力设置为50mpa，即得到 wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni硬质合金复合材料。
58.烧结后wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni硬质合金复合材料的维氏硬度和断裂韧性分别达到1869.24hv和11.49mpa
·m1/2
。
59.实施例4：
60.本实施例中的wc-y2o
3-zro
2-10co硬质合金复合材料，是由球磨的方法和放电等离子烧结(sps)加工制成，所述co作粘结剂的wc-y2o
3-zro2基体硬质合金材料以质量百分比计，包括下述组分：co10wt％，wc-y2o
3-zro290wt％(其中wc 89.6％、y2o
3 0.25％、zro
2 0.15％)。 wc-y2o
3-zro2粉末、co粉末的纯度为99.9％，酒精纯度为分析纯。
61.本实施例中的wc-y2o
3-zro
2-10co硬质合金复合材料的制备方法如下：
62.1、干磨：按wc-y2o
3-zro
2-10co硬质合金复合材料的设计组分以及球料比8:1分别配取wc-y2o
3-zro2粉、co粉、硬质合金球称重配料，在充满氩气的手套箱中将配好后的粉末倒入球磨罐中进行封装,再将封装好的球磨罐置于行星式球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为1800min。
63.2、湿磨：在真空手套箱中向干磨得到的复合粉末中加入55ml的酒精于球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为 120min。
64.3、干燥：将湿磨后得到混合液体倒入烧杯中，再置于鼓风干燥箱中进行干燥，设置加热温度为140℃，干燥时间为720min，再将干燥后的粉末进行研磨。
65.4、烧结：将干燥研磨后得到的wc-y2o
3-zro
2-co混合粉料装入石墨模具，利用液压机对粉末进行预压制，随后放入放电等离子烧结炉中，在室温下将炉腔抽真空，以100℃/min 的升温速率升温至600℃保温5min，再升温至1250℃保温5min，再以100℃/min的降温速率降到室温，烧结时预压力设置为20mpa，最高压力设置为50mpa，即得到wc-y2o
3-zro
2-co 硬质合金复合材料。
66.烧结后wc-y2o
3-zro
2-co硬质合金复合材料的维氏硬度和断裂韧性分别达到1256.41hv 和12.46mpa
·m1/2
。
67.实施例5：
68.本实施例中的wc-10alcocrfeni硬质合金复合材料，是由球磨的方法和放电等离子烧结 (sps)加工制成，所述alcocrfeni作粘结剂的wc基体硬质合金材料以质量百分比计，包括下述组分：alcocrfeni10wt％，wc 90wt％。wc粉末、alcocrfeni粉末的纯度为99.9％,酒精纯度为分析纯。
69.本实施例中的wc-10alcocrfeni硬质合金复合材料的制备方法如下：
70.1、干磨：按wc-10alcocrfeni硬质合金复合材料的设计组分以及球料比8:1分别配取 wc粉、alcocrfeni粉、硬质合金球称重配料，在充满氩气的手套箱中将配好后的粉末倒入球磨罐中进行封装,再将封装好的球磨罐置于行星式球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为 150r/min，球磨时间为1800min。
71.2、湿磨：在真空手套箱中向干磨得到的复合粉末中加入55ml的酒精于球磨罐中进行封装，再将封装好的球磨罐置于球磨机中进行球磨，设置球磨的转速为150r/min，球磨时间为 120min。
72.3、干燥：将湿磨后得到混合液体倒入烧杯中，再置于鼓风干燥箱中进行干燥，设置加热温度为140℃，干燥时间为720min，再将干燥后的粉末进行研磨。
73.4、烧结：将干燥研磨后得到的wc-10alcocrfeni混合粉料装入石墨模具，利用液压机对粉末进行预压制，随后放入放电等离子烧结炉中，在室温下将炉腔抽真空，以100℃/min 的升温速率升温至600℃保温5min，再升温至1250℃保温5min，再以100℃/min的降温速率降到室温，烧结时预压力设置为20mpa，最高压力设置为50mpa，即得到wc-10alcocrfeni 硬质合金复合材料。
74.烧结后wc-10alcocrfeni硬质合金复合材料的维氏硬度和断裂韧性分别达到 1643.32hv和11.30mpa
·m1/2
。
75.表1
[0076][0077]
表1所示是各实施例的硬度和断裂韧性等性能的对比，从表1可以看出实施例2的 wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni硬质合金复合材料的硬度和断裂韧性是最优异的，分别达到了 1888.14hv和14.76mpa
·m1/2
。这是因为采用wc-y2o
3-zro2作基体相比于wc基体来说，基体中由于添加了y2o3和zro2，使得基体结构更加紧密，颗粒的硬度和断裂韧性得到了提升，同时又采用了alcocrfeni作粘结剂，可以进一步抑制wc晶粒的长大，采用最佳的烧结温度即1250℃，避免了部分晶粒的异常长大现象，使得烧结出的wc-y2o
3-zro
2-alcocrfeni 硬质合金复合材料的硬度和断裂韧性达到最佳效果。