权利要求

1.一种高韧性硬质合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将钨粉进行高能球磨后得到处理钨粉;

S2、将水溶性镧盐、铈盐、铬盐进行溶解后喷雾干燥，得到La-Ce-Cr复合粉;

S3、将处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉、碳粉混合，得到混合粉;

S4、将混合粉烧结得到合金粉;

S5、将碳化钨、合金粉进行柔性混合，得到混合料;

S6、混合料压制、烧结，得到高韧性硬质合金。

2.根据权利要求1所述的高韧性硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，钨粉的平均FSSS粒度≥35μm，D5≥13μm，span≤1.05;高能球磨时的球料比为(8-12)：1，球磨转速为280-420r/min，球磨时间为4-8h。

3.根据权利要求1所述的高韧性硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，将硝酸镧、硝酸铈、硝酸铬按照1：(1-2)：(5-7)的质量比加入水中溶解，之后采用喷雾干燥制备得到La-Ce-Cr复合粉。

4.根据权利要求1所述的高韧性硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉的质量比为(56-68)：(4-12)：(6-10)：(1.5-3.5)。

5.根据权利要求4所述的高韧性硬质合金的制备方法，其特征在于，碳粉的加入量为处理钨粉质量的0.0665-0.0672倍和二氧化钛粉质量的0.75-0.90倍之和。

6.根据权利要求1所述的高韧性硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，烧结工艺为：升温至670-730℃，保温1-2h;再升温至1160-1240℃，保温2-3h;再升温至1900-2200℃，保温4-6h。

7.根据权利要求1所述的高韧性硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，混合料中碳化钛的含量为4-10wt%;混合时混料机的转速为30-100r/min，混合时间为12-18h。

8.根据权利要求1所述的高韧性硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，烧结工艺为：烧结温度为1480-1530℃，保温时间为2-4h，烧结压力为7-9MPa。

9.一种高韧性硬质合金，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的高韧性硬质合金的制备方法制备得到，所述高韧性硬质合金为板状晶硬质合金，其组织结构均匀，硬度HV10≥1620，断裂韧性KiC≥24MPa·m1/2。

10.一种权利要求9所述的高韧性硬质合金在切削刀片领域的应用。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于粉末冶金技术领域，具体为一种高韧性硬质合金及其制备方法和应用。

背景技术

[0002]硬质合金具有高硬度、耐磨、耐腐蚀等优点，被广泛应用在矿用工具、模具材料、切削工具、耐磨零件等领域，其中硬质合金刀片因其优异的硬度、耐磨性和高温性能，被广泛应用于金属切削加工领域。其中，YT类硬质合金(主要成分为WC-Co-TiC)因其良好的红硬性和抗月牙洼磨损能力，特别适用于钢件和铸铁的高速切削。然而，传统YT类刀片仍存在以下技术瓶颈：(1)抗冲击韧性不足：由于YT类合金以TiC为硬质相，其脆性较高，在断续切削或高负荷加工时易发生崩刃或断裂，影响刀具寿命和加工稳定性。(2)强度与硬度的矛盾：传统工艺下，WC晶粒多为等轴状，虽能提高硬度，但晶界强度较低，导致刀片在高温高压工况下易产生微裂纹，降低可靠性。

[0003]近年来，研究者尝试通过细化晶粒、添加稀土元素或调整粘结相比例来改善YT类合金的性能，但效果有限。比如：通过纳米WC粉体提升硬度，但牺牲了韧性;采用梯度结构设计优化应力分布，但工艺复杂且成本高昂。板状晶WC的引入为解决上述问题提供了新思路。板状晶WC具有各向异性结构，能通过晶粒互锁效应增强材料的断裂韧性，同时其长径比可优化应力传递路径。然而，现有技术中含有板状晶WC的YT类硬质合金往往因为板状晶结构调控不当，导致韧性不稳定。

[0004]因此，亟需开发一种新型YT类硬质合金刀片，通过可控引入板状晶WC并优化TiC分布，在保持高硬度的同时显著提升抗冲击性和切削稳定性，以满足现代高效加工的需求。

发明内容

[0005]为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种高韧性硬质合金及其制备方法和应用。

[0006]根据本发明的第一方面，本发明提供了如下技术方案：

一种高韧性硬质合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、将钨粉进行高能球磨后得到处理钨粉;

S2、将水溶性镧盐、铈盐、铬盐进行溶解后喷雾干燥，得到La-Ce-Cr复合粉;

S3、将处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉、碳粉混合，得到混合粉;

S4、将混合粉烧结得到合金粉;

S5、将碳化钨、合金粉进行柔性混合，得到混合料;

S6、混合料压制、烧结，得到高韧性硬质合金。

[0007]根据本发明的第二方面，本发明提供了如下技术方案：

一种高韧性硬质合金，采用上述的高韧性硬质合金的制备方法制备得到，所述高韧性硬质合金为板状晶硬质合金，其组织结构均匀，硬度HV10≥1620，断裂韧性KiC≥24MPa·m1/2。

[0008]根据本发明的第三方面，本发明提供了如下技术方案：

一种上述的高韧性硬质合金在切削刀片领域的应用。

[0009]本发明的有益效果如下：

本发明提出一种高韧性硬质合金及其制备方法和应用，制备方法包括：将钨粉进行高能球磨后得到处理钨粉;将水溶性镧盐、铈盐、铬盐进行溶解后喷雾干燥，得到La-Ce-Cr复合粉;将处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉、碳粉混合，得到混合粉;将混合粉烧结得到合金粉;将碳化钨、合金粉进行柔性混合，得到混合料;混合料压制、烧结，得到高韧性硬质合金。所述高韧性硬质合金为板状晶硬质合金，其组织结构均匀，硬度HV10≥1620，断裂韧性KiC≥24MPa·m1/2。

附图说明

[0010]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

[0011]图1为本发明实施例1制备的高韧性硬质合金的金相图;

图2为本发明对比例7制备的硬质合金的金相图。

[0012]本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

[0013]下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0014]根据本发明的第一方面，本发明提供了如下技术方案：

一种高韧性硬质合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、将钨粉进行高能球磨后得到处理钨粉;

S2、将水溶性镧盐、铈盐、铬盐进行溶解后喷雾干燥，得到La-Ce-Cr复合粉;

S3、将处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉、碳粉混合，得到混合粉;

S4、将混合粉烧结得到合金粉;

S5、将碳化钨、合金粉进行柔性混合，得到混合料;

S6、混合料压制、烧结，得到高韧性硬质合金。

[0015]优选的，所述步骤S1中，通过筛选特定的钨粉，并进行高能球磨实现扁平化处理，为板状晶WC的生成提供了基础保障，加以添加剂的诱导，进一步提升了板状晶结构的占比，优化了合金微观组织。钨粉的平均FSSS粒度≥35μm，D5≥13μm，span≤1.05。高能球磨时的球料比为(8-12)：1，球磨转速为280-420r/min，球磨时间为4-8h。具体的，高能球磨时的球料比可以为例如8：1、9：1、10：1、11：1、12：1中的任意一者或任意两者之间的范围;球磨转速可以为例如280r/min、290r/min、300r/min、310r/min、320r/min、330r/min、340r/min、350r/min、360r/min、370r/min、380r/min、390r/min、400r/min、410r/min、420r/min中的任意一者或任意两者之间的范围;球磨时间可以为例如4h、5h、6h、7h、8h中的任意一者或任意两者之间的范围。

[0016]优选的，所述步骤S2中，通过对水溶性添加剂盐进行溶解喷雾干燥，制备得到了分子间混合均匀的添加剂复合粉，为后续的均匀添加提供条件;将硝酸镧、硝酸铈、硝酸铬按照1：(1-2)：(5-7)的质量比加入水中溶解，之后采用喷雾干燥制备得到La-Ce-Cr复合粉;具体的，硝酸镧、硝酸铈、硝酸铬的质量比可以为例如1：1：5、1：1：6、1：1：7、1：2：5、1：2：6、1：2：7中的任意一者或任意两者之间的范围。

[0017]优选的，所述步骤S3中，处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉的质量比为(56-68)：(4-12)：(6-10)：(1.5-3.5);碳粉的加入量为处理钨粉质量的0.0665-0.0672倍和二氧化钛粉质量的0.75-0.90倍之和。

[0018]优选的，所述步骤S4中，通过特定烧结工艺制备得到了合金粉，此工艺确保了Ti和W的碳化完全，为后续高韧性硬质合金的制备提供了基础;烧结工艺为：升温至670-730℃，保温1-2h;再升温至1160-1240℃，保温2-3h;再升温至1900-2200℃，保温4-6h。具体的，第一段保温温度可以为例如670℃、680℃、690℃、700℃、710℃、720℃、730℃中的任意一者或任意两者之间的范围，第一段保温时间可以为例如1h、1.25h、1.5h、1.75h、2h中的任意一者或任意两者之间的范围;第二段保温温度可以为例如1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃中的任意一者或任意两者之间的范围，第二段保温时间可以为例如2h、2.25h、1.5h、2.75h、3h中的任意一者或任意两者之间的范围;第三段保温温度可以为例如1900℃、1950℃、2000℃、2050℃、2100℃、2150℃、2200℃中的任意一者或任意两者之间的范围，第三段保温时间可以为例如4h、4.5h、5h、5.5h、6h中的任意一者或任意两者之间的范围。

[0019]优选的，所述步骤S5中，通过碳化钨的可控添加，可灵活制备不同成分的硬质合金及硬质合金刀片。碳化钨的平均费氏粒度为1.8-3.2μm，混合料中碳化钛的含量为4-10wt%。采用三维混合机进行柔性混合，柔性混合时混料机的转速为30-100r/min，混合时间为12-18h。具体的，混合料中碳化钛的含量可以为例如4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%中的任意一者或任意两者之间的范围;混合时混料机的转速可以为例如30r/min、40r/min、50r/min、60r/min、70r/min、80r/min、90r/min、100r/min中的任意一者或任意两者之间的范围;混合时间可以为例如12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h中的任意一者或任意两者之间的范围。

[0020]优选的，所述步骤S6中，烧结工艺为：烧结温度为1480-1530℃，保温时间为2-4h，烧结压力为7-9MPa。具体的，烧结温度可以为例如1480℃、1490℃、1500℃、1510℃、1520℃、1530℃中的任意一者或任意两者之间的范围;保温时间可以为例如2h、2.5h、3h、3.5h、4h中的任意一者或任意两者之间的范围;烧结压力可以为例如7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa中的任意一者或任意两者之间的范围。

[0021]根据本发明的第二方面，本发明提供了如下技术方案：

一种高韧性硬质合金，采用上述的高韧性硬质合金的制备方法制备得到，所述高韧性硬质合金为板状晶硬质合金，其组织结构均匀，硬度HV10≥1620，断裂韧性KiC≥24MPa·m1/2。

[0022]根据本发明的第三方面，本发明提供了如下技术方案：

一种上述的高韧性硬质合金在切削刀片领域的应用。

[0023]以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。

[0024]实施例1

一种高韧性硬质合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、将钨粉进行高能球磨后得到处理钨粉;钨粉的平均FSSS粒度为36.2μm，D5为15.01μm，span为1.01;高能球磨时的球料比为8：1，球磨转速为280r/min，球磨时间为8h;

S2、将硝酸镧、硝酸铈、硝酸铬按照1：1.5：6的质量比加入水中溶解，之后采用喷雾干燥制备得到La-Ce-Cr复合粉;

S3、将处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉、碳粉混合，得到混合粉;处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉的质量比为60：8：8：2;碳粉的加入量为处理钨粉质量的0.0668倍和二氧化钛粉质量的0.80倍之和;

S4、将混合粉烧结得到合金粉;烧结工艺为：升温至700℃，保温2h;再升温至1200℃，保温2h;再升温至1900℃，保温6h;

S5、将碳化钨、合金粉采用三维混合机进行柔性混合，得到混合料;碳化钨的平均费氏粒度为2.0μm，混合料中碳化钛的含量为6wt%。混合时混料机的转速为50r/min，混合时间为16h;

S6、混合料压制、烧结，烧结工艺为：烧结温度为1490℃，保温时间为3h，烧结压力为8MPa;得到高韧性硬质合金。

[0025]本实施例制备得到的高韧性硬质合金的SEM图如图1所示，其组织结构均匀，硬度HV10为1745，断裂韧性KiC为25.9MPa·m1/2。

[0026]实施例2

一种高韧性硬质合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、将钨粉进行高能球磨后得到处理钨粉;钨粉的平均FSSS粒度为37.2μm，D5为13.8μm，span为1.03;高能球磨时的球料比为12：1，球磨转速为420r/min，球磨时间为4h;

S2、将硝酸镧、硝酸铈、硝酸铬按照1：2：7的质量比加入水中溶解，之后采用喷雾干燥制备得到La-Ce-Cr复合粉;

S3、将处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉、碳粉混合，得到混合粉;处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉的质量比为68：4：6：3.5;碳粉的加入量为处理钨粉质量的0.0672倍和二氧化钛粉质量的0.90倍之和;

S4、将混合粉烧结得到合金粉;烧结工艺为：升温至730℃，保温1h;再升温至1240℃，保温2h;再升温至2200℃，保温4h;

S5、将碳化钨、合金粉采用三维混合机进行柔性混合，得到混合料;碳化钨的平均费氏粒度为3.1μm，混合料中碳化钛的含量为10wt%。混合时混料机的转速为100r/min，混合时间为18h;

S6、混合料压制、烧结，烧结工艺为：烧结温度为1530℃，保温时间为2h，烧结压力为7MPa;得到高韧性硬质合金。

[0027]本实施例制备得到的高韧性硬质合金的组织结构均匀，硬度HV10为1680，断裂韧性KiC为25.4MPa·m1/2。

[0028]实施例3

一种高韧性硬质合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、将钨粉进行高能球磨后得到处理钨粉;钨粉的平均FSSS粒度为38.32μm，D5为15.72μm，span为0.98;高能球磨时的球料比为10：1，球磨转速为350r/min，球磨时间为6h;

S2、将硝酸镧、硝酸铈、硝酸铬按照1：1.5：5的质量比加入水中溶解，之后采用喷雾干燥制备得到La-Ce-Cr复合粉;

S3、将处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉、碳粉混合，得到混合粉;处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉的质量比为60：7：8：3.5;碳粉的加入量为处理钨粉质量的0.0672倍和二氧化钛粉质量的0.90倍之和;

S4、将混合粉烧结得到合金粉;烧结工艺为：升温至670℃，保温2h;再升温至1160℃，保温3h;再升温至2200℃，保温4h;

S5、将碳化钨、合金粉采用三维混合机进行柔性混合，得到混合料;碳化钨的平均费氏粒度为2.6μm，混合料中碳化钛的含量为10wt%。混合时混料机的转速为100r/min，混合时间为12h;

S6、混合料压制、烧结，烧结工艺为：烧结温度为1530℃，保温时间为2h，烧结压力为9MPa;得到高韧性硬质合金。

[0029]本实施例制备得到的高韧性硬质合金的组织结构均匀，硬度HV10为1643，断裂韧性KiC为27.64MPa·m1/2。

[0030]实施例4

一种高韧性硬质合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、将钨粉进行高能球磨后得到处理钨粉;钨粉的平均FSSS粒度为35.24μm，D5为13.73μm，span为1.02;高能球磨时的球料比为10：1，球磨转速为280r/min，球磨时间为4h;

S2、将硝酸镧、硝酸铈、硝酸铬按照1：1：5的质量比加入水中溶解，之后采用喷雾干燥制备得到La-Ce-Cr复合粉;

S3、将处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉、碳粉混合，得到混合粉;处理钨粉、二氧化钛粉、钴粉、La-Ce-Cr复合粉的质量比为56：12：10：3.5;碳粉的加入量为处理钨粉质量的0.0665倍和二氧化钛粉质量的0.75倍之和;

S4、将混合粉烧结得到合金粉;烧结工艺为：升温至700℃，保温1h;再升温至1200℃，保温3h;再升温至1900℃，保温6h;

S5、将碳化钨、合金粉采用三维混合机进行柔性混合，得到混合料;碳化钨的平均费氏粒度为2.2μm，混合料中碳化钛的含量为4wt%。混合时混料机的转速为80r/min，混合时间为18h;

S6、混合料压制、烧结，烧结工艺为：烧结温度为1480℃，保温时间为4h，烧结压力为7MPa;得到高韧性硬质合金。

[0031]本实施例制备得到的高韧性硬质合金的组织结构均匀，硬度HV10为1720，断裂韧性KiC为25.18MPa·m1/2。

[0032]对比例1

与实施例1的不同之处在于，所述步骤S1中，钨粉的平均FSSS粒度为28.66μm，D5为5.98μm，span为1.02。

[0033]本对比例制备得到的硬质合金的组织结构均匀，硬度HV10为1730，断裂韧性KiC为18.42MPa·m1/2。

[0034]对比例2

与实施例1的不同之处在于，所述步骤S1中，钨粉的平均FSSS粒度为36.91μm，D5为8.35μm，span为1.34。

[0035]本对比例制备得到的硬质合金存在异常长大的粗晶WC，硬度HV10为1553，断裂韧性KiC为20.37MPa·m1/2。

[0036]对比例3

与实施例1的不同之处在于，不进行步骤S2，将硝酸镧、硝酸铈、硝酸铬在步骤S3中直接加入混合。

[0037]本对比例制备得到的硬质合金存在孔隙，碳化钨晶粒异常长大，硬度HV10为1383，断裂韧性KiC为13.83MPa·m1/2。

[0038]对比例4

与实施例1的不同之处在于，步骤S3中，碳粉的加入量为处理钨粉质量的0.0665倍和二氧化钛粉质量的0.5倍之和。

[0039]本对比例制备得到的硬质合金存在孔隙，硬度HV10为1672，断裂韧性KiC为16.49MPa·m1/2。

[0040]对比例5

与实施例1的不同之处在于，步骤S4中，烧结工艺为：升温至1900℃，保温10h。

[0041]本对比例制备得到的硬质合金存在孔隙，且出现缺碳相，晶粒出现非板状晶异常长大，硬度HV10为1576，断裂韧性KiC为18.59MPa·m1/2。

[0042]对比例6

与实施例1的不同之处在于，步骤S5中，采用湿式球磨混料。

[0043]本对比例制备得到的硬质合金无板状晶结构，硬度HV10为1739，断裂韧性KiC为13.66MPa·m1/2。

[0044]对比例7

与实施例1的不同之处在于，采用传统方法制备硬质合金，具体的，采用碳化钨粉、碳化钛粉、钴粉按照85:6:9的质量比进行湿式球磨，压制烧结制备得到硬质合金。烧结工艺与实施例1中步骤S5一致。

[0045]本对比例制备得到的硬质合金无板状晶结构(如图2所示)，硬度HV10为1432，断裂韧性KiC为14.85MPa·m1/2。

[0046]将实施例1、实施例3、对比例2、对比例5、对比例7所制备的样品进行铸铁切削测试，机床为德国DMGNLX40001750型，切削速度为260m/min，进给量为0.35mm/r，冷却方式为：冷却液湿式加工。测试结果如下，可见：本发明制备的高韧性硬质合金表现出良好的使用性能，在快速切屑及高进给量条件下不仅没有出现崩裂，还具有低磨损的性能。

[0047]

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

说明书附图(2)