本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种高综合性能的硬质合金刀具材料及其制备方法。
背景技术：
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
相比于高速钢、金刚石及陶瓷等材料，硬质合金不仅具有良好的强度，还具有较为优异的韧性，具有较好的抗冲击能力和抗热震性能，是当前用途最广泛的工具材料之一，对推动我国工业制造及国民经济发展起着举足轻重的作用。wc-co型硬质合金在工业领域中应用广泛，碳化钨(wc)熔点高(2870℃)、耐磨性、化学稳定性和热稳定性好、是电和热的良好导体，具有高硬度，同时具有低的热膨胀系数和高的弹性模量，适合用作刀具材料。在wc-co型硬质合金中，wc作为硬质相是材料高硬度的保证，而金属co是材料韧性的保证，随着wc和co含量的改变，材料的硬度和韧性出现相反方向的变化，这就是wc-co型硬质合金本身存在的硬度和韧性之间相互制约的矛盾。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高综合性能的硬质合金刀具材料及其制备方法。本发明的刀具材料通过在wc基硬质合金刀具材料中，加入适度配比的添加相氧化铝(al2o3)、氧化钇(y2o3)和钴(co)，制备出同时具有高强韧性和高硬度的wc基复合刀具材料。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc65-90份、al2o35-30份、co3-10份、y2o30.5-2份。
本发明改进了wc-co型硬质合金，现有的wc-co型硬质合金中，wc作为硬质相是材料高硬度的保证，而金属co是材料韧性的保证，随着wc和co含量的改变，材料的硬度和韧性出现相反方向的变化，这就是wc-co型硬质合金本身存在的硬度和韧性之间相互制约的矛盾，而且高温性能差，高温时其强度下降严重。al2o3与基体wc-co相比，具有更高的硬度、优良的化学稳定性、耐磨性、耐热性，抗氧化能力和高温力学性能，但是抗弯强度和断裂韧度低。因此，本发明选择wc为基体相，al2o3为增强相，选择co为金属相，y2o3为烧结助剂。
作为本发明的一些实施方式，由以下质量份的原料组成wc65-90份、al2o35-30份、co4份、y2o31份。
本发明中在wc-co型硬质合金中掺杂al2o3和y2o3，并且发现掺杂一定质量份的al2o3有助于提高wc-co硬质合金的力学性能。
本发明涉及的是一种wc-co型硬质合金，wc与al2o3具有良好的化学相容性，在烧结过程中不会发生化学反应，因其高的高温和室温硬度及抗氧化性有利于提高新型刀具材料的硬度和耐高温性能；al2o3与y2o3同时作为添加相加入到wc基体材料中，有利于提高材料的致密度，因此在保证较高强韧性的同时较大提高材料的硬度。
上述刀具材料的制备方法，所述方法为将原料分别进行球磨，将球磨后的原料混合后进行干燥，干燥后将混合料进行重复球磨、干燥，然后将干燥后的混合料进行真空烧结得到刀具材料。
在本发明中先分别进行球磨，然后混合后再球磨的目的是：提高各个组分的分散性，有助于各个原料组分混合后的融合性。
本发明的有益效果：
本发明所使用的设备简单且安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高。制备的wc基复合刀具材料具有优异的综合力学性能，不仅具有较高的抗弯强度和断裂韧度，同时具有较高的硬度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1的wc基复合刀具材料抛光面扫描电镜照片，其中a为wc，b为al2o3。
图2为实施例2的wc基复合刀具材料抛光面扫描电镜照片，其中a为wc，b为al2o3。
图3为实施例3的wc基复合刀具材料抛光面扫描电镜照片，其中a为wc，b为al2o3。
图4为实施例4的wc基复合刀具材料抛光面扫描电镜照片，其中a为wc，b为al2o3。
图5为实施例5的wc基复合刀具材料抛光面扫描电镜照片，其中a为wc，b为al2o3。
图6为实施例6的wc基复合刀具材料抛光面扫描电镜照片，其中a为wc，b为al2o3。
图7为以实施例6为例进行的wc基复合刀具材料的表征图；7(a)为抛光面扫描电镜照片，对图中灰色相a点和黑色相b点分别进行了eds能谱分析，结果分别如图7(b)和图7(c)所示。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc65-90份、al2o35-30份、co3-10份、y2o30.5-2份。
作为本发明的一些实施方式，一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc65-90份、al2o35-30份、co4份、y2o31份。
上述刀具材料的制备方法，具体步骤为：
将原料分别进行球磨，将球磨后的原料混合后进行干燥，干燥后将混合料进行重复球磨、干燥，然后将干燥后的混合料进行真空烧结得到刀具材料。
在本发明的一些实施方式中，wc的粒径为0.3-0.5μm，al2o3的粒径为0.4-0.6μm，co的粒径为0.4-0.6μm，y2o3的粒径为0.8-1.2μm。
在本发明的一些实施方式中，球磨利用球磨机进行，al2o3单独球磨时，球磨球为氧化铝球，其余粉末单独球磨和第二次混合球磨时，球磨球为碳化钨球，第一次球磨和第二次球磨的球料比均为9-11:1，球磨介质均为酒精。
在本发明的一些实施方式中，原料的球磨时间为40-50h。原料的球磨时间是指第一次各个原料分开球磨的时间和第二次混合球磨的时间。
在本发明的一些实施方式中，原料的干燥温度为100-140℃，干燥的时间为3-4h。
在本发明的一些实施方式中，真空烧结的压力为30-40mpa，真空烧结的温度为1300-1600℃，优选为1400-1500℃。
在本发明的一些实施方式中，真空烧结的升温时间为20-40min，保温的时间为20-40min。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1
一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc65份、al2o330份、co4份、y2o31份。
实施例1的刀具材料的制备方法：将所有原始粉末分别装入聚氨酯球磨筒中，al2o3粉末以氧化铝球为球磨球，其他粉末以碳化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48小时；将球磨后的全部组份的混合料放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装待用；按实施例附表中所列的组份比例称量后装入聚氨酯球磨筒中，以碳化钨球为球磨球，球料比10:1，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48小时；将球磨后的混合料放入真空干燥箱中进行干燥；将封装的粉体取出，按照刀具制备需要的用量称取混合粉末，装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中；在真空气氛下，用29min升至1450℃，在此温度下施加压力32mpa、保温30min的条件下热压烧结成型。保温结束后，按照实施例参数附表的工艺条件热压烧结成型。烧结工艺是：烧结温度1450℃，保温时间30min，保温压力32mpa。
通过图1，可以得到实施例1制备得到了主要成分为wc和al2o3的刀具材料，灰色相为wc，黑色相为al2o3，制备得到的材料具有气孔较少，致密度较好，部分组分分布不均匀，部分晶粒长大明显的特征。
实施例2
一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc70份、al2o325份、co4份、y2o31份。
实施例2的刀具材料的制备方法与实施案例1相同。通过图2，可以得到实施例2制备得到了主要成分为wc和al2o3的刀具材料，灰色相为wc，黑色相为al2o3，制备得到的材料具有气孔较少，致密度较好，部分组分分布不均匀，部分晶粒长大明显的特征。
实施例3
一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc75份、al2o320份、co4份、y2o31份。
实施例3的刀具材料的制备方法与实施案例1相同。通过图3，可以得到实施例3制备得到了主要成分为wc和al2o3的刀具材料，灰色相为wc，黑色相为al2o3，制备得到的材料具有气孔较少，致密度较好，部分al2o3分布不均匀，局部团聚的特征。
实施例4
一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc80份、al2o315份、co4份、y2o31份。
实施例4的刀具材料的制备方法与实施案例1相同。通过图4，可以得到实施例4制备得到了主要成分为wc和al2o3的刀具材料，灰色相为wc，黑色相为al2o3，制备得到的材料具有组分分布比较均匀，部分晶粒长大明显，气孔较少，致密度较好的特征。
实施例5
一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc85份、al2o310份、co4份、y2o31份。
实施例5的刀具材料的制备方法与实施案例1相同。通过图5，可以得到实施例5制备得到了主要成分为wc和al2o3的刀具材料，灰色相为wc，黑色相为al2o3，制备得到的材料具有组分分布均匀，晶粒粒径较大，粒径分布比较均匀，气孔较少，致密度较好的特征。
实施例6
一种高综合性能的硬质合金刀具材料，由以下质量份的原料组成wc90份、al2o35份、co4份、y2o31份。
实施例6的刀具材料的制备方法与实施案例1相同。通过图6和图7，可以得到实施例6制备得到了主要成分为wc和al2o3的刀具材料，灰色相为wc，黑色相为al2o3，制备得到的材料具有组分分布均匀，晶粒细小，粒径分布均匀，气孔很少，致密度好的特征。由图7(b)和图7(c)可见谱图a元素组成包括钨(w)和碳(c)，谱图b元素组成以铝(al)和氧(o)为主，因为材料设计该体系不发生化学反应，所以推断图7(a)中灰色相a主要成分为wc，黑色相b主要成分为al2o3。
实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6的刀具材料进行性能测试，得到参数如表1所示：
表1刀具材料性能测试结果
由表1可知，随着al2o3含量的降低，复合刀具材料的硬度先降低后增加，al2o3含量为5份时，其硬度最高，为22.78±2.0gpa；其断裂韧度在al2o3含量为20份时最高，为13.04±1.1mpa·m1/2；其抗弯强度在al2o3含量为10份时最高，为1193.6±30mpa。在al2o3含量为5份和10份时，刀具材料具有较优的综合力学性能，不仅具有较高的抗弯强度和断裂韧度，同时具有较高的硬度。
本发明制备的90份wc-5份al2o3-1份y2o3-4份co刀具材料的断裂韧度为12.34±1.1mpa·m1/2、抗弯强度为1002±45mpa、维氏硬度为22.78±2.0gpa，与现有的利用al2o3替代co与wc复合得到的刀具材料相比，其断裂韧度和硬度分别提高了25％和12％。解决了现有的wc-co复合刀具材料的存在硬度和韧性之间相互制约的矛盾的问题。
本发明制备的90份wc-5份al2o3-1份y2o3-4份co刀具材料与硬质合金刀具牌号yg3(97份wc-3份co，质量份)相比，在保证抗弯强度不降低的前提下，其硬度比yg3的硬度提高了58.2％。本发明制备的85份wc-10份al2o3-1份y2o3-4份co刀具材料，其硬度(18.98±0.85gpa)比yg3的硬度(14.4gpa)提高了31.8％，抗弯强度相当。总之，本发明制备的刀具材料不仅具有较高的强韧性，而且显著的提高了wc基硬质合金刀具的硬度，并且有利于提高其耐高温性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种高综合性能的硬质合金刀具材料，其特征在于：由以下质量份的原料组成wc65-90份、al2o35-30份、co3-10份、y2o30.5-2份。
2.权利要求1所述的一种硬质合金刀具材料，其特征在于：由以下质量份的原料组成wc65-90份、al2o35-30份、co4份、y2o31份。
3.权利要求1-2任一所述的硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于：所述方法为将原料分别进行球磨，将球磨后的原料混合后进行干燥，干燥后将混合料进行重复球磨、干燥，然后将干燥后的混合料进行真空烧结得到刀具材料。
4.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于：wc的粒径为0.3-0.5μm，al2o3的粒径为0.4-0.6μm，co的粒径为0.4-0.6μm，y2o3的粒径为0.8-1.2μm。
5.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于：球磨利用球磨机进行，al2o3单独球磨时，球磨球为氧化铝球，其余粉末单独球磨和第二次混合球磨时，球磨球为碳化钨球，第一次球磨和第二次球磨的球料比均为9-11:1，球磨介质均为酒精。
6.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于：原料的球磨时间为40-50h。
7.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于：原料的干燥温度为100-140℃，干燥的时间为3-4h。
8.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于：真空烧结的压力为30-40mpa，真空烧结的温度为1300-1600℃，优选为1400-1500℃。
9.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于：真空烧结的升温时间为20-40min，保温的时间为20-40min。
10.权利要求1所述的一种硬质合金刀具材料在铣削加工工具领域中的应用。
技术总结