CN101376931A

CN101376931A - 含大块板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法

Info

Publication number: CN101376931A
Application number: CNA2008102003206A
Authority: CN
Inventors: 朱丽慧; 李志林; 黄清伟; 朱铄金; 王俪篥
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2009-03-04

Abstract

本发明涉及一种含大块板状碳化钨(WC)晶粒的硬质合金的制备方法，属碳化钨硬质合金制备工艺技术领域。本发明的特点是以板状碳化钨单晶颗粒为晶种，将其与工业用WC粉和工业用Co粉相混合；各原料的重量百分配比为：WC粉：77.5～84％，Co粉：15～20％，WC晶种晶粒：1～2.5％；混合粉末经高能球磨后，采用真空烧结工艺，可制得具有大块板状WC晶粒的硬质合金。本发明方法的优点是：通过调整加入的板状WC晶种的尺寸和数量，可以控制硬质合金中板状WC晶粒的数量、尺寸和长厚比，从而优化硬质合金的性能。本发明方法工艺简单，成本低，重现性好。

Description

含大块板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种含大块板状碳化钨(WC)晶粒的硬质合金的制备方法，属碳化钨硬质合金制备工艺技术领域。

背景技术

硬质合金具有高弹性模量、高硬度，优异的热稳定性、高温抗氧化性和耐蚀性，在各个生产技术领域都得到了广泛应用。传统硬质合金的硬度和强度即耐磨性和韧性往往是一对矛盾。即如果增加了耐磨性，则会降低韧性，相反若增加了韧性，则耐磨性又会下降。通常，人们通过精确控制Co含量、WC晶粒尺寸、碳含量以及各种显微结构缺陷和添加碳化物、氮化物，设计成分梯度合金等来提高硬质合金的强度和硬度等性能，以满足硬质合金在某些场合的使用。近年的研究表明，含大块板状碳化钨晶粒的硬质合金可以很好地解决这一矛盾，并且与传统硬质合金相比，它具有高韧性、高强度、高硬度、高耐磨性、高的抗塑性变形能力、高的高温硬度、高的高温疲劳强度、较好的抗高温蠕变与抗热冲击性能等独特性能。

含大块板状碳化钨晶粒的硬质合金之所以具有高的硬度与WC晶粒的各向异性有关。WC在微观结构上属六方晶系，具有各向异性，特别是硬度的各向异性很强，导致其不同取向和晶面的物理机械性能差别很大。如图1所示，其底面的(0001)面和棱面(1100)面的维氏硬度分别为HV＝2100和HV＝1080，前者比后者高了一倍多。由图1(a)可以看出，普通硬质合金中的WC晶粒呈三棱柱状，如果能使这种三棱柱状WC晶粒的(0001)底面择优生长为三角板状，则因具有高硬度的(0001)面WC晶粒所占的比率提高，硬质合金的硬度也就相应的得到了提高。此外，这种硬质合金还具有高的韧性。这是因为大块板状WC晶粒的存在使断裂时的裂纹扩展出现了绕晶、穿晶、裂纹偏转等现象，增加了裂纹扩展所需要的能量，从而阻碍了微细裂纹的进一步扩展，提高了合金的韧性。因此，制备含大块板状WC晶粒的硬质合金可以同时提高硬度和强度。

目前制备含板状WC晶粒的硬质合金的方法有：(1)通过高能球磨的方法获得超细WC粉，通过在烧结过程中使WC晶粒产生异常长大成为板状。(2)使用(W/Ti/Ta)C固溶体为原料，并使其中所含的WC处于过饱和状态，在加热烧结时WC将从过饱和固溶体中析出，结晶为板状WC。(3)在硬质合金粉中添加适量的某些物质，如TiC，可以使WC的晶粒形状向板状发展。(4)利用合成WC孪晶制备板状WC晶粒，W粉经过球磨处理后，在900～1200℃的温度并存在Fe的情况下碳化时会形成具有一定长径比的WC孪晶板状物。(5)通过球磨使球状的W变成板状，然后在单轴向压力作用下使板状的W定向，随后在烧结阶段由于W、C、Co反应形成定向的板状WC晶粒。(6)与第四种方法类似，原始粉料换用Co_xW_yC_z+C来制备。上述方法中存在着板状WC的数量和尺寸难以控制，板状晶粒比例少等缺点，使得硬质合金的各项性能，尤其是硬度、耐磨性、强度、韧性和抗断裂性能不能得到有效提高。而第(5)和(6)方法由于采用的原始粉体不是WC，可能因碳含量的少量波动损害硬质合金的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种含大块板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法。本发明是通过加入板状WC单晶颗粒作为晶种，使硬质合金在烧结过程中由于细小WC晶粒的溶解及随后在板状WC晶种表面析出，来制备含大块板状WC晶粒的硬质合金。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

1.一种含大块板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法，其特征在于该方法具有以下的工艺过程和步骤：

a.首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒：采用纯度为99.5％的WO₃和光谱纯的C作为原料，按摩尔比WO₃:C＝1:4进行配料；将其混合后，按盐料重量比1:1～2：1加入NaCl或KCl盐，并以无水乙醇为分散介质再进行球磨，以使粉体充分均匀混合，然后烘干、过筛；将上述混合均匀的原料装入坩埚中，在氩气气氛中于800～1300℃温度下焙烧1～4小时；焙烧后的产物随炉冷却至室温；然后用蒸馏水多次漂洗合成产物，去除残留的熔盐颗粒，烘干后即得板状碳化钨单晶颗粒；

b.将工业用WC粉、工业用Co粉和上述制得的板状碳化钨单晶颗粒按如下重量百比：WC粉77.5～84％，Co粉15～20％，碳化钨单晶颗粒1～2.5％，进行配料；先将WC粉和Co粉经高能球磨制备WC-Co复合粉末，即将WC粉和Co粉装入球磨罐中，球磨介质为WC硬质合金球，球料重量比为4:1，球磨转速为200rpm，球磨时间为24小时；然后再加入板状碳化钨单晶颗粒，将其充分混合；

c.然后经掺蜡、干燥、过筛后，在90～160MPa下压制成坯；随后再对压坯进行适当的冷等静压处理，使压坯密度进一步提高；然后在1300～1500℃温度下进行真空烧结，烧结时间为40～100分钟；最终制得含大块板状碳化钨晶粒的硬质合金。

本发明方法的特点及优点如下：

(1)本发明方法通过调整加入的板状WC晶种的尺寸和数量，可以控制硬质合金中大块板状WC晶粒的数量、尺寸和长厚比，从而优化硬质合金的性能；

(2)由于采用的晶种为WC单晶，不会因碳含量的少量波动损害硬质合金的性能；

(3)本发明方法工艺简单，投入成本低，重现性好。

本发明方法所制得的硬质合金中大块板状WC晶粒多，尺寸分布均匀，能有效提高合金力学性能，尤其是韧性。

附图说明

图1为本发明中大块板状WC晶粒晶面转化的示意图。

图2为本发明方法制得的含大块板状WC晶粒的硬质合金(a)和不含板状WC晶粒的硬质合金(b)显微组织的对比。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本实施例的工艺过程和步骤如下：

(1)首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒：采用纯度为99.5％的WO₃和光谱纯的C作为原料，两者以摩尔比1:4进行配料，即WO₃:C＝1:4；将其混合和后，按盐料重量比1:1加入NaCl盐，并以无水乙醇为分散介质再进行球磨；然后烘干、过筛；将上述混合均匀的原料装入坩埚中，在氩气气氛中于1100℃温度下焙烧，并在该温度下保温2小时；焙烧后的产物随炉冷却至室温；然后用蒸馏水漂洗产物三次，去除残留的熔盐颗粒，烘干后即得板状碳化钨单晶颗粒。

(2)取一定量的工业用WC粉、工业用Co粉和上述制得的板状WC单晶颗粒作为原料；按规定重量配比称量配料，称取WC粉38.75g，Co粉10g和WC晶种晶粒1.25g；板状WC晶粒尺寸为1～3μm、长厚比为1:1～5:1；将上述WC粉和Co粉装入球磨罐中，球磨介质为WC硬质合金球，球料重量比为4:1，球磨转速为200rpm，球磨时间为24小时；然后再加入上述的板状WC晶种晶粒，将其充分混合。

(3)然后进行掺蜡，即加入2％的石蜡汽油溶液，在110℃下真空干燥3小时，再经100目的筛网过筛后，在130MPa下压制成坯；随后再对压坯进行适当的冷等静压处理，使压坯密度进一步提高；然后在1460℃温度下进行真空烧结，烧结时间为40分钟；最终制得含大块板状碳化钨晶粒的硬质合金。

上述方法制得的硬质合金中，大块板状WC无定向排布特征，晶粒数量较多，分布均匀且尺寸较大，一般在3～8μm；长厚比一般为2:1～4:1(图2)；合金的硬度和韧性均有所提高，特别是韧性有了大幅提高(在硬质合金当中，抗弯强度是衡量韧性的一个重要指标)，与相同成分的普通硬质合金相比，抗弯强度提高了近30％(用本方法制得的含大块板状WC晶粒的硬质合金的抗弯强度为1930MPa，而在相同的工艺下，不含大块板状WC晶粒的硬质合金的抗弯强度则为1500MPa)。

Claims

a.首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒：采用纯度为99.5％的WO₃和光谱纯的C作为原料，按摩尔比WO₃:C＝1:4进行配料；将其混合后，按盐料重量比1:1～2:1加入NaCl或KCl盐，并以无水乙醇为分散介质再进行球磨，使粉体充分均匀混合，然后烘干、过筛；将混合粉体装入坩埚中，在氩气气氛中于800～1300℃温度下焙烧1～4小时，焙烧后的产物随炉冷却至室温；然后用蒸馏水多次漂洗产物，去除残留的熔盐颗粒，烘干后即得板状碳化钨单晶颗粒；