CN100390312C - 高性能超细晶WC-10wt.%Co硬质合金的制备方法 - Google Patents

高性能超细晶WC-10wt.%Co硬质合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

高性能超细晶WC-10wt.%Co硬质合金的制备方法属粉末冶金领域。现有的WC-Co硬质合金的制备很难通过简单工艺获得超细晶硬质合金。本发明步骤：将粒径为30-60微米的纯Co粉在氩气保护下球磨16小时以上，得到微米级粒径但具有纳米晶显微组织的Co粉；将0.2微米的WC粉和球磨后的Co粉按质量比9∶1进行混合球磨，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为20-24小时，得到的混合粉末在真空干燥箱中干燥后装入模具，冷压成型，送入放电等离子烧结设备中；烧结致密化的工艺参数为：终态烧结温度1120-1150℃，升温速率80-120℃/min，烧结压力30-60MPa，终态烧结温度下保温时间0-10min。本发明工艺简单，技术参数可控性强，制备的YG10(WC-10wt.%Co)超细晶硬质合金性能达到同种材料的国际先进水平。

Description

高性能超细晶WC-10wt.%Co硬质合金的制备方法
技术领域
一种高性能超细晶WC-Co硬质合金材料的制备方法，属于粉末冶金技术领域。
背景技术
传统的粗晶WC-Co硬质合金材料，其硬度和韧性一直是一对相互制约的矛盾。近年来研究发现，当WC晶粒尺度降到0.5μm以下时，硬质合金材料的硬度和断裂韧性可同时保持较高数值。现有的硬质合金材料的制备方法中，如针对传统热压烧结的缺点而改进的热等静压烧结、超高压烧结和快速热等静压烧结等方法，虽然在一定程度上降低了烧结温度和缩短了烧结时间，但通常仍需保温几至十几个小时，不可避免地导致WC晶粒长大，一般只能获得晶粒尺寸1.0～0.5μm的细晶硬质合金材料。
发明内容
本发明提供一种超细晶WC-10wt.％Co(YG10)硬质合金材料的制备方法。通过设计和优化原料粉末间的粒径匹配和结合状态，应用近年迅速发展起来的放电等离子烧结(SPS)技术，利用简单工序快速合成了晶粒尺寸小于250纳米、具有高的硬度和断裂韧性的超细晶WC-Co硬质合金材料。此制备方法目前国内外均未见报导。
本发明提供的高性能超细晶WC-10wt.％Co硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将粒径为30-60微米的纯Co粉在氩气保护下球磨16小时以上，得到微米级粒径但具有纳米晶显微组织的Co粉；
2)将平均粒经0.2微米的WC粉和球磨后的Co粉按质量比9∶1进行混合球磨，球磨介质为无水乙醇，球磨20-24小时，得到的混合粉末在真空干燥箱中干燥后装入模具，冷压成型，送入SPS设备中；
3)采用如下工艺参数进行烧结致密化：终态烧结温度1120℃-1150℃，升温速率80-120℃/min，烧结压力30-60MPa，终态烧结温度下保温时间0-10min。
本发明是根据我们研究发现的SPS技术的机制和原料粒径匹配及结合状态对制备的硬质合金材料组织和性能的影响而提出的。利用亚微米WC粉和球磨后具有纳米晶显微组织的微米级Co粉作为原料粉末，经混合球磨后获得Co包覆WC颗粒的两相粉末结合状态。随后进行SPS烧结时，脉冲电流大部分通过复合粉末从而使粉末颗粒由自身焦耳效应实现快速和均匀加热，显著改善了WC颗粒因不良导电性而导致的烧结效率低、温升不均匀、材料性能不稳定等缺点。制备出的WC-10wt.％Co硬质合金材料具有高的致密度、小于250纳米的超细晶粒尺寸、优异的硬度和断裂韧性综合性能。此方法工艺简单，技术参数可控性强，制备的材料性能达到目前同种材料的国际先进水平。
附图说明
图1实施例1中球磨后Co粉末颗粒的形貌(扫描电子显微镜照片)。
图2实施例1中球磨后Co颗粒内部纳米晶粒组织及其选区电子衍射谱(透射电子显微镜照片)。
图3实施例1中混合球磨后得到的WC与Co复合粉末(高分辨扫描电子显微镜照片)。
图4实施例1最终获得的超细晶WC-10wt.％Co硬质合金材料的断口形貌图(高分辨扫描电子显微镜照片)。
图5实施例2最终获得的超细晶WC-10wt.％Co硬质合金材料的断口形貌图(高分辨扫描电子显微镜照片)。
图6实施例3最终获得的超细晶WC-10wt.％Co硬质合金材料的断口形貌图(高分辨扫描电子显微镜照片)。
具体实施方式
所有实施例中初始WC粉末的平均粒径为0.2微米(由厦门金鹭公司生产)，Co粉末的平均粒径约为30-60微米(由有色金属研究院生产)。使用同种原料粉末，采用已有的热压烧结和热等静压烧结制备出的WC-10wt.％Co硬质合金材料，其晶粒尺寸一般大于0.5微米，硬度值为HRA 90-92，断裂韧性为7-10MPa m1/2；而本发明制备的WC-10wt.％Co硬质合金材料的平均晶粒尺寸小于250纳米，硬度和断裂韧性均明显提高。
例1、先将Co粉进行球磨，球料比为10∶1，球磨转速为500r/min，球磨时间为20小时，采用氩气保护。得到平均粒径为16微米且具有纳米晶显微组织的Co粉末(如图1和图2)。然后将0.2微米的WC粉和球磨后的Co粉按质量比9∶1进行混合球磨，球料比为3∶1，球磨转速为300r/min，球磨时间为24小时，球磨介质为无水乙醇。球磨后的混合粉末在设定温度为100℃的真空干燥箱中干燥24小时后得到用于烧结的起始粉末(如图3)。将此粉末装入石墨模具，加压成型。送入SPS系统的真空烧结室。烧结工艺参数为：烧结温度1120℃；烧结升温速率120℃/min；烧结开始阶段不加压，当烧结体的位移变化率曲线出现峰值时施加60MPa压力并保持此压力；在达到烧结温度时不保温。由上述工艺制备得到超细晶YG10硬质合金块体材料(显微组织见图4，材料性能参数见表1)。
例2、先将Co粉进行球磨，球料比为10∶1，球磨转速为600r/min，球磨时间为16小时，采用氩气保护。得到平均粒径为22微米且具有纳米晶显微组织的Co粉末。然后将0.2微米的WC粉和球磨后的Co粉按质量比9∶1进行混合球磨，球料比为3∶1，球磨转速为400r/min，球磨时间为20小时，球磨介质为无水乙醇。球磨后的混合粉末在设定温度为100℃的真空干燥箱中干燥24小时后得到用于烧结的起始粉末。将此粉末装入石墨模具，加压成型。送入SPS系统的真空烧结室。烧结工艺参数为：烧结温度1150℃；烧结升温速率100℃/min；烧结开始阶段不加压，当烧结体位移变化率曲线出现峰值时施加30MPa压力，当位移变化率恢复到零时施加60MPa压力；在达到烧结温度后保温5min。由上述工艺制备得到超细晶硬质合金块体材料(显微组织见图5，材料性能参数见表1)。
例3、先将Co粉进行球磨，球料比为10∶1，球磨转速为500r/min，球磨时间为24小时，采用氩气保护。得到平均粒径为14微米且具有纳米晶显微组织的Co粉末。然后将0.2微米的WC粉和球磨后的Co粉按质量比9∶1进行混合球磨，球料比为3∶1，球磨转速为300r/min，球磨时间为24小时，球磨介质为无水乙醇。球磨后的混合粉末在设定温度为100℃的真空干燥箱中干燥24小时后得到用于烧结的起始粉末。将此粉末装入石墨模具，加压成型。送入SPS系统的真空烧结室。烧结工艺参数为：烧结温度1150℃；烧结升温速率约80℃/min；烧结开始阶段不加压，当烧结体位移变化率出现峰值时施加30MPa压力，当位移变化率恢复到零时施加60MPa压力；在达到烧结温度后保温10min。由上述工艺制备得到超细晶硬质合金块体材料(显微组织见图6，材料性能参数见表1)。
表1不同实施例制备的超细晶YG10(WC-10Co)硬质合金材料的性能参数

Claims (1)

1.一种高性能超细晶WC-10wt.％Co硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将粒径为30-60微米的纯Co粉在氩气保护下球磨16小时以上，得到微米级粒径但具有纳米晶显微组织的Co粉；
2)将平均粒经为0.2微米的WC粉和上述球磨后的Co粉按质量比9∶1进行混合球磨，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为20-24小时，得到的混合粉末在真空干燥箱中干燥后装入模具，冷压成型，送入放电等离子烧结设备中准备烧结；
3)采用如下工艺参数进行烧结致密化：终态烧结温度1120-1150℃，升温速率80-120℃/min，烧结压力30-60MPa，终态烧结温度下保温时间0-10min，得到晶粒度小于250纳米的高性能超细晶WC-10wt.％Co硬质合金。
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