專利名稱：一種粗晶粒硬質(zhì)合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金材料及其制備方法，特別是具有粗晶粒的硬質(zhì)合金材料及制備方法，屬于硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金是以WC等難熔過渡族金屬碳化物作為基，以Co等鐵族金屬元素作為粘結(jié)劑，采用粉末冶金方法制備成的多相固體材料。硬質(zhì)合金具有高硬度、耐磨耐腐蝕性、高
彈性模量、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的性能，因此硬質(zhì)合金被譽為“エ業(yè)的牙齒”，廣泛應用于切削刀具、地質(zhì)礦工具、耐磨零件等領(lǐng)域。硬質(zhì)合金作為脆性材料存在強度與硬度的固有矛盾，一般其硬度越高強度越低，而強度越高硬度越低。在成分相同的鎢鈷類硬質(zhì)合金中，WC晶粒越細，硬質(zhì)合金的硬度越高，耐磨性越好;wc晶粒越粗，抗彎強度越高，沖擊韌性越好，而硬度與耐磨性下降。解決硬質(zhì)合金的強度和硬度之間的矛盾，使其有機結(jié)合起來一直是“難熔金屬與硬質(zhì)材料”領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。在礦山開采、城市地鐵、公路建設、沖壓模具、軋輥等領(lǐng)域，硬質(zhì)合金工具受到非常巨大的沖擊，對硬度和耐磨性也有一定要求。因此，一般使用粗顆粒的鎢鈷類硬質(zhì)合金，其WC晶粒度達到3. 5-4. 9 μ m以上，甚至更粗。200310120819. 3公開了ー種鎢鈷硬質(zhì)合金的制備方法，包括將WC粉與(4 6)wt%的Co粉經(jīng)配料、濕磨、干燥、摻成形劑制粒、壓制成形、脫成型劑、燒結(jié)等步驟，配料時選用粗細兩種顆粒的WC粉，其中粗顆粒WC粉的粒度為(20 30) μ m，細顆粒WC粉的粒度為(I. 2 1.8) μ m，粗顆粒WC粉與細顆粒WC粉之重量比為60 40 80 20。采用本發(fā)明方法可有效地協(xié)調(diào)硬質(zhì)合金耐磨性和韌性，提高合金的綜合性能，擴大礦用合金的應用范圍。同時也有多個專利采用同樣的粗細搭配方案制備了含Co為6 8 ，8 9 ，8 10 wt%，10 11 wt%的粗顆粒硬質(zhì)合金。200710035791. I公開了ー種粗晶粒硬質(zhì)合金及其制備方法，制備配料采用Fsss粒度為11. O 15. 0ym、Hcp值為4. 50 5. 38KA/m、接近單晶的粗顆粒WC粉，以及TaC粉和Co粉；真空燒結(jié)溫度為1450 1520°C;TaC Co =
0.045 0.055。200810031231. 3公開了ー種熱墩模具用材料及其制備エ藝。其產(chǎn)品的成份及重量百分比為鈷12 20%，鎳3 10%，20 25 μ m的碳化鎢50 70%，I. O
1.5μπι的碳化鎢10 30%。201010195748. 3公開了ー種適于焊接加工的球齒釬頭用硬質(zhì)合金，它由下述重量百分比的組分原料制備而成Co，余量為WC及不可避免的雜質(zhì)。WC包括粗顆粒WC粉和細顆粒WC粉，粗顆粒WC粉的粒度范圍為10 15 μ m,細顆粒WC粉的粒度范圍為2. O 3.0 μ m，粗顆粒WC粉與細顆粒WC粉的重量比為4 : I 3 : 2。本發(fā)明由于采用了兩種不同粒徑的WC作為原料，使合金組織中的WC晶粒為非均勻結(jié)構(gòu)，合金組織中粗細WC交錯搭配，有效地協(xié)調(diào)硬質(zhì)合金的耐磨性和韌性，從而滿足焊接球齒釬頭的使用要求。由上可見，目前多采用10 15 μ m,甚至20 30 μ m的粗顆粒WC原料粉末，以確保經(jīng)球磨、壓制和燒結(jié)后獲得粗晶粒硬質(zhì)合金；同時，一般添加一定比例的I 3μπ 的細顆粒WC形成所謂的非均勻結(jié)構(gòu)(或雙峰結(jié)構(gòu))，以便在確保硬質(zhì)合金在具有高強度和抗沖擊性的同時，具有較高的硬度和耐磨性。但是，上述制造粗晶粒硬質(zhì)合金的方法存在以下問題首先，粗顆粒的WC原料粉末，特別是20 30 μ m粗顆粒WC制備非常困難，難以獲得。第ニ，粗顆粒WC晶體中通常存在大量的空位、位錯等晶體缺陷，因此硬質(zhì)合金的性能降低。第三，在粉末冶金制備硬質(zhì)合金的過程中，球磨會在一定程度上破碎粗顆粒WC原料，因此即使采用粗顆粒的WC原料粉末，也容易因エ藝控制問題而難以獲得粗晶粒硬質(zhì)合金。第四，粗顆粒WC和細顆粒WC粉末的球磨特性和分散行為不同，為提高硬度和耐磨性而在粗顆粒WC中添加一定比例細顆粒WC時容易造成WC分散不均勻甚至WC聚集。必須指出的是，WC為六方晶系的各向異性晶體，其晶面取向或晶面指數(shù)的不同而其物理、機械性能也不同。基面(0001)和棱面(1-100)面的維氏硬度分別為HV2100和HV1080，前者是后者的一倍多?；诖耍粼赪C晶粒生長晶粒尺寸増大的同時，控制WC晶 粒的(0001)面擇優(yōu)生長，提高其比例，則可滿足粗晶粒硬質(zhì)合金的強韌性和硬度耐磨性的綜合要求，并避免目前的技術(shù)中存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
目前，粗晶粒硬質(zhì)合金制造過程中，為獲得粗的晶粒度和高的強度和抗沖擊性，追求使用粒度越來越大的粗顆粒WC原料粉末，同時為保證一定的硬度與耐磨性而添加一定比例細顆粒WC，這對原料和エ藝控制都提出了高的要求。因此本發(fā)明針對目前存在的問題，利用高碳WC引入原位分布的游離碳，并微量添加納米TiC作為雙重的WC晶粒擇優(yōu)生長誘導劑，發(fā)明了ー種基于控制WC晶粒生長擇優(yōu)取向的粗晶粒硬質(zhì)合金材料制備方法，可滿足高強韌性和高硬度的綜合要求。本發(fā)明的粗晶粒硬質(zhì)合金材料,其特征在于由高碳WC、Co和納米TiC組成；Co占5 20wt%，納米TiC占O. 4 I. 0wt%,其余為高碳WC ；Co粉粒度為O. 8 I. 5 μ m ;納米TiC粒度為20 lOOnm，碳含量為19. 9 20. I wt% ;高碳WC的粒度為6. O 10. O μ m，高碳WC的碳含量為6. 13 6. 25 wt% ;該硬質(zhì)合金的總碳含量控制在(6. 13wt%-l%*Co質(zhì)量百分數(shù)) (6. 13wt%-9%*Co質(zhì)量百分數(shù))。本發(fā)明的粗晶粒硬質(zhì)合金材料的制備方法，其特征在于依次包含以下步驟
(I)納米粉末預處理將納米TiC原料粉末放入加有吐溫80的無水こ醇中進行超聲分散處理，并進行真空干燥。(2)混合料制備與成型按權(quán)利要求I的重量百分比稱取預處理后的納米TiC粉末、高碳WC粉和Co粉，并加入球磨機進行球磨、過濾、干燥后壓制成生坯。
(3)真空燒結(jié)真空燒結(jié)在真空爐中進行，首先在300°C 600°C下保溫2 4h以脫除成型齊U，真空度為10 15Pa ;在1350 1450°C下保溫時間為I 3h以完成真空燒結(jié)，真空度為I 5 Pa。(4)低壓燒結(jié)低壓燒結(jié)在低壓燒結(jié)爐中進行，燒結(jié)溫度為1450°C 1550°C，保溫時間2 5h，氬氣壓カ為5 lOMPa。本發(fā)明的粗晶粒硬質(zhì)合金材料的制備方法，進ー步的特征在于
(I)納米TiC原料粉末超聲分散處理時，先將納米TiC原料粉末與無水こ醇配成質(zhì)量百分比為5 30%的懸濁液，加I 5vol%的吐溫，超聲分散時間為10 60min，結(jié)束后在I 5Pa和80 100°C下真空干燥。(2) 混合料制備時，球磨介質(zhì)為無水こ醇，其加量為100 500ml/kg,球磨速度為60 100r/min，研磨時間為12h 60h,研磨球為Φ6 8_的WC-8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3 :1 5 :1 ;石蠟成型劑的加入量為2 8wt%，加入時間為濕磨結(jié)束前2 6h ;球磨后金屬陶瓷料漿經(jīng)400目過濾，真空干燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為I 5 Pa;在300 500MPa下壓制成生坯。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)具有巨大比表面積的納米TiC均勻分散到高碳WC顆粒附近，在燒結(jié)過程中作為WC晶?；鎿駜?yōu)生長的誘導劑，可通過微量添加就實現(xiàn)WC晶粒的擇優(yōu)生長。(2)控制高碳WC中的碳含量，以利用原位分布的游離碳作為燒結(jié)過程中作為WC晶?；鎿駜?yōu)生長的誘導劑，避免了単獨添加炭黑引入碳的方法帶來的炭黑偏聚。(3)采用6. O 10. O μ m的常規(guī)WC，避免了對10 15 μ m,甚至20 30 μ m以上的特殊粗顆粒WC原料的依賴。(4)無需采用WC粗細搭配的方式，エ藝控制簡單。
具體實施方式
、
實例I :按重量百分比稱取原料制備粗晶粒硬質(zhì)合金，其中粒度8. O μ m的WC占90. 5wt%,粒度為I. 5 μ m的Co占9. O wt%,粒度為50nm的TiC占O. 5 wt%。WC的碳含量為
6.25wt%,納米TiC的碳含量為20. lwt%,體系的總碳含量為5. 75 wt%。首先將納米TiC粉末與無水こ醇配成質(zhì)量百分比為20%的懸濁液進行超聲處理，吐溫80的加入量為lvol%，超聲分散時間為30min，結(jié)束后在5Pa和90°C下真空干燥。然后預處理后的納米TiC粉末、Co、WC粉一起加入球磨機進行球磨，球磨介質(zhì)為無水こ醇，其加量為300ml/kg，球磨速度為60r/min,研磨時間為24h,研磨球為Φ8ι πι的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為4 :I ;石蠟成型劑的加入量為3wt%，加入時間為濕磨結(jié)束前6h ;球磨后硬質(zhì)合金混合料料漿經(jīng)400目過濾，真空干燥處理溫度為90°C，真空度為5 Pa ;在300MPa下壓制成生坯。生坯在真空爐中在500°C進行，保溫2h，真空度為IOPa下脫除成型劑。在燒結(jié)溫度為1430°C，保溫時間為lh，真空度5Pa下完成燒結(jié)。將燒結(jié)好的硬質(zhì)合金在低壓燒結(jié)爐中，低壓燒結(jié)在1500°C下進行，保溫時間2h，氬氣壓カ為5MPa。所制備的粗晶粒硬質(zhì)合金的WC晶粒度為3 4 μ m，硬度87. 3HRA,抗彎強度2380MPa。實例2 :按重量百分比稱取原料制備粗晶粒硬質(zhì)合金，其中粒度10. Oym的WC占84. I wt%，粒度為L 5 μ m的Co占15 wt%，粒度為50nm的TiC占O. 9 wt%。WC的碳含量為
6.20wt%,納米TiC的碳含量為20wt%，體系的總碳含量為5. 39 wt%。首先將納米TiC粉末與無水こ醇配成質(zhì)量百分比為30%的懸濁液進行超聲處理，吐溫80的加入量為3vol%，超聲分散時間為40min，結(jié)束后在2Pa和85°C下真空干燥。然后預處理后的納米TiC粉末、Co、WC粉一起加入球磨機進行球磨，球磨介質(zhì)為無水こ醇，其加量為350ml/kg，球磨速度為70r/min,研磨時間為36h，研磨球為Φ8πιπι的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3 I ;石蠟成型劑的加入量為2wt%，加入時間為濕磨結(jié)束前4h ;球磨后硬質(zhì)合金混合料料漿經(jīng)400目過濾，真空干燥處理溫度為95°C，真空度為I Pa ;在350MPa下壓制成生坯。生坯在真空爐中在550°C進行，保溫2. 5h，真空度為15Pa下脫除成型劑。在燒結(jié)溫度為1400°C，保溫時間為2h，真空度5Pa下完成燒結(jié)。將燒結(jié)好的硬質(zhì)合金在低壓燒結(jié)爐中，低壓燒結(jié)在1510°C下進行，保溫時間2h，氬氣壓カ為6MPa。所制備的粗晶粒硬質(zhì)合金的WC晶粒度為3. 6 4. 2 μ m，硬度 86. 5HRA,抗彎強度 2700MPa。
權(quán)利要求
1.一種粗晶粒硬質(zhì)合金材料，其特征在于由高碳WC、Co和納米TiC組成；Co占5 20wt%，納米TiC占O. 4 I. Owt%,其余為高碳WC ；Co粉粒度為O. 8 I. 5 μ m ;納米TiC粒度為20 lOOnm，碳含量為19. 9 20. I wt% ;高碳WC的粒度為6. O 10. O μ m,高碳WC的碳含量為6. 13 6. 25 wt% ;該硬質(zhì)合金的總碳含量控制在(6. 13wt%-l%*Co質(zhì)量百分數(shù)) (6. 13wt%-9%*Co質(zhì)量百分數(shù))。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的粗晶粒硬質(zhì)合金材料的制備方法，其特征在于依次包含以下步驟 (1)納米粉末預處理將納米TiC原料粉末放入加有吐溫80的無水乙醇中進行超聲分散處理，并進行真空干燥； (2)混合料制備與成型按權(quán)利要求I的重量百分比稱取預處理后的納米TiC粉末、高碳WC粉和Co粉，并加入球磨機進行球磨、過濾、干燥后壓制成生坯； (3)真空燒結(jié)真空燒結(jié)在真空爐中進行，首先在300°C 600°C下保溫2 4h以脫除成型劑，真空度為10 15Pa ;在1350 1450°C下保溫時間為I 3h以完成真空燒結(jié)，真空度為I 5 Pa ; (4)低壓燒結(jié)低壓燒結(jié)在低壓燒結(jié)爐中進行，燒結(jié)溫度為1450°C 1550°C，保溫時間2 油，氬氣壓力為5 lOMPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的粗晶粒硬質(zhì)合金材料的制備方法，進一步的特征在于 (1)納米TiC原料粉末超聲分散處理時，先將納米TiC原料粉末與無水乙醇配成質(zhì)量百分比為5 30%的懸濁液，加I 5vol%的吐溫，超聲分散時間為10 60min，結(jié)束后在I 5Pa和80 100°C下真空干燥； (2)混合料制備時,球磨介質(zhì)為無水乙醇,其加量為100 500ml/kg,球磨速度為60 100r/min,研磨時間為12h 60h,研磨球為Φ6 8mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3 :1 5 :1 ;石蠟成型劑的加入量為2 8wt%，加入時間為濕磨結(jié)束前2 6h ;球磨后金屬陶瓷料漿經(jīng)400目過濾，真空干燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為I 5 Pa ;在300 500MPa下壓制成生坯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種粗晶粒硬質(zhì)合金材料及其制備方法，其特征是采用6.0～10.0μm的高碳WC并控制WC的總碳含量在6.13wt%-(1~9)%*Co質(zhì)量百分數(shù)，同時添加0.4～1.0wt%的納米TiC。利用高碳WC中原位分布的游離碳，以及在高碳WC附近彌散分布的納米TiC作為雙重誘導劑，使硬質(zhì)合金中WC晶粒的(0001)基面在燒結(jié)過程中的擇優(yōu)生長。本發(fā)明的粗晶粒硬質(zhì)合金材料的制備方法可避免對粗顆粒WC原料的依賴，工藝控制簡單，利用WC晶粒的擇優(yōu)生長獲得強度、硬度與耐磨性良好的粗晶粒硬質(zhì)合金，可用于地礦工具、耐磨零件等領(lǐng)域。
文檔編號C22C1/05GK102732766SQ201210232269
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者萬維財, 熊計, 郭智興 申請人:四川大學