CN101985718B - 以铁-铝金属间化合物为粘结相的硬质合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以铁-铝金属间化合物为粘结相的硬质合金，硬质相为碳化钨和/或碳化钛，粘结相为体积百分比为10%-40%的铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al，该硬质合金的制造方法依次包括以下步骤：按FeAl或Fe₃Al的成分、将质量百分比为1.69%～19.09%或1.31%～13.75%的Fe₂Al₅的预合金粉末和2.10%～23.78%或3.23%～33.81%铁粉，再与余量的碳化物粉末球磨混合18～36小时，获得的球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，压制成型，压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1~2小时，然后经1250℃~1550℃的低压液相烧结，即可得到所述的以铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中FeAl或Fe₃Al的体积百分比为10%~40%；本发明的制备方法工艺简单、制造成本低，在液相烧结过程中不易产生孔隙且孔隙小，获得的硬质合金强度比较高、耐磨性比较好，抗高温氧化性和抗硫腐蚀优异。

Description

以铁-铝金属间化合物为粘结相的硬质合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种硬质合金材料及其制备方法，特别是一种通过粉末冶金的技术制备以碳化物为基体、铁-铝金属间化合物为粘结相的硬质合金及其方法。

背景技术

碳化钨硬质合金由于其高强度、高硬度、高耐磨性和高红硬性，被广泛地用作切削刀具、矿山工具和耐磨零件等。现有的碳化钨硬质合金材料主要是由基体碳化钨和粘结相钴金属组成。由于钴对碳化钨的润湿性好使其室温综合力学性能好，然而，由于钴是战略资源，其价格较为昂贵，且其高温耐磨性、高温抗氧化性和抗腐蚀性能均相对较低，在一定程度上限制了以钴作为粘结相的碳化钨硬质合金的应用。金属间化合物原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键共存的特性, 使其在抗高温氧化、抗腐蚀等方面还具有独特的优异性，如FeAl、Fe₃Al金属间化合物的抗腐蚀能力强，弱铁磁性，适合于恶劣的工作环境，且其突出优点是成本低。

论文“WC–FeAl–B和 WC–Ni₃Al–B复合材料的磨损性能”（英文：Abrasive wear of WC–FeAl–B and WC–Ni₃Al–B composites）【《难熔金属与硬质材料》（英文International Journal of  Refractory Metals & Hard Materials），2005年第23期第155-159页】公开了以细WC颗粒为硬质相（0.7um~0.8um)的硬质合金材料的磨损对比实验，对WC–40vol%FeAl (其中含B量为500ppm)和WC–40vol%Ni₃Al(其中B含量为500ppm)与WC–40vol%Co进行磨损对比试验发现：耐磨性能依次为WC–40vol%FeAl (其中含B量为500ppm)最佳，其次为WC–40vol%Ni₃Al(其中B含量为500ppm)，最后为WC–40vol%Co。其制备方法是先通过熔炼方法制成金属间化合物，然后对其破碎，破碎后的金属间化合物预合金粉末按成分比例与WC等元素进行混合球磨，然后在氩气保护气氛下，1500℃温度下在石墨模具中单轴热压4分钟制备而成，热压压力为20MPa。由于金属间化合物粉末是采用按一定成分比例熔炼后通过惰性气体雾化成粉末的的方法制备预合金粉末，制备的粉末往往较粗大，容易引起合金中的微观组织的不均匀。同时金属间化合物的本征的脆性，使合金的室温力学性能低，容易发生脆断。

发明内容

本发明针对上述不足，提供一种以铁铁-铝铝金属间化合物为粘结相的硬质合金，液相烧结过程中不易产生孔隙且孔隙小，强度比较高、耐磨性比较好，抗高温氧化性和抗硫腐蚀优异，同时本发明还提供该硬质合金的制备方法，工艺简单、制造成本低。

本发明的以铁-铝金属间化合物为粘结相的硬质合金，硬质相为碳化钨和/或碳化钛，粘结相为体积百分比为10%-40%的铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al，该硬质合金的制造方法依次包括以下步骤：

（1）按铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al的成分、将质量百分比为1.69%～19.09%或1.31%～13.75%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和2.10%～23.78%或3.23%～33.81%铁粉，再与余量的碳化物粉末球磨混合18～36小时，获得球磨混合物料；

（2）球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末；

（3）将上述混合料粉末压制成型；

（4）压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1~2小时，然后经1250℃～1550℃的低压液相烧结，即可得到所述的以铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中FeAl或Fe₃Al的体积百分比为10%～40%。

本发明先将铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末、铁粉和余量的碳化物球磨混合制备成混合料，压制成压坯后，经1250°C~1550°C的低压液相烧结，在达到1169℃即Fe₂Al₅熔点后，Fe₂Al₅与铁迅速反应生成更稳定的FeAl或Fe₃Al，从而避免了由于在合金中直接添加元素粉末合成金属间化合物出现的柯肯达尔效应而产生的孔隙，同时因为采用了Fe₂Al₅均匀粉末，进一步保证了金属间化合物粘结相成分均匀一致，使得制备的铁-铝金属间化合物为粘结相的硬质合金具有均匀的组织结构和优异的室温力学性能，能够满足材料在耐磨性和抗氧化性和抗硫腐蚀上的要求。同时本发明的制备方法简单，成本低。

附图说明

图1是本发明制备的以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金的典型扫描电镜照片；

图2是本发明制备的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金的典型扫描电镜照片。

具体实施方式

 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为1.69%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和2.10%铁粉，再与余量的碳化钨粉末球磨混合18小时，获得球磨混合物料；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1小时，然后经1350℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为10%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例2：

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为1.31%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和3.23%铁粉，再与余量的碳化钨粉末球磨混合，除除低压液相烧结温度为1550℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例1，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为10%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

实施例3：

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为3.62%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和4.51%铁粉，再与余量的碳化钨粉末球磨混合24小时，获得球磨混合物料；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1小时，然后经1320℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为20%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例4

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为 2.80%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和6.87%铁粉，再与余量的碳化钨粉末球磨混合，除除低压液相烧结温度为1520℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例3，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为20%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

实施例5：

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为 5.87%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和7.31%铁粉，再与余量的碳化钨粉末球磨混合30小时，获得球磨混合物料；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温2小时，然后经1300℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为30%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例6：

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为4.48%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和11.02%铁粉，再与余量的碳化钨粉末球磨混合，除除低压液相烧结温度为1500℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例5，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为30%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

实施例7

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为8.51%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和10.59%铁粉，再与余量的碳化钨粉末球磨混合36小时，获得球磨混合物料；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温2小时，然后经1250℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为40%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例8：

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为6.42%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和15.78%铁粉，再与余量的碳化钨粉末球磨混合，除低压液相烧结温度为1450℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例7，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为40%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

实施例9：

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为4.95%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和6.17%铁粉，再与余量的碳化钛粉末球磨混合22小时，获得球磨混合物料；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1小时，然后经1350℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为10%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例10：

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为3.80%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和9.33%铁粉，再与余量的碳化钛粉末球磨混合，除低压液相烧结温度为1550℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例9，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为10%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

实施例11：

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为12.15%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和15.13%铁粉，再与余量的碳化钛粉末球磨混合30小时，获得球磨混合物料；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1.5小时，然后经1300℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为25%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例12：

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为9.02%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和22.18%铁粉，再与余量的碳化钛粉末球磨混合，除低压液相烧结温度为1500℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例11，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为25%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

实施例13：

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为 19.09%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和23.78%铁粉，再与余量的碳化钛粉末球磨混合36小时，获得球磨混合物料；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温2小时，然后经1250℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为40%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例14：

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为13.75%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和33.81%铁粉，再与余量的碳化钛粉末球磨混合，除低压液相烧结温度为1450℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例13，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为40%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

实施例15：

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为5.91%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和7.36%铁粉，再与碳化钨、碳化钛粉末球磨混合30小时，获得球磨混合物料，其中碳化钨、碳化钛粉末分别占球磨混合物料的质量百分比为74.94%、11.79%；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1.5小时，然后经1300℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为25%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例16：

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为4.51%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和11.10%铁粉，再与碳化钨、碳化钛粉末球磨混合，其中碳化钨、碳化钛粉末分别占球磨混合物料的质量百分比为72.92%、11.47%；除低压液相烧结温度为1500℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例15，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为25%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

实施例17：

按铁-铝金属间化合物FeAl的成分，将质量百分比为7.95%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和9.90%铁粉，再与碳化钨、碳化钛粉末球磨混合30小时，获得球磨混合物料，其中碳化钨、碳化钛粉末分别占球磨混合物料的质量百分比为50.42%、31.73%；球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末，再压制成型；压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1.5小时，然后经1300℃的低压液相烧结，即可得到以铁-铝金属间化合物FeAl为粘结相的硬质合金，其中FeAl的体积百分比为25%。该硬质合金的扫描电镜照片见图1，性能详见表1。

实施例18：

按铁-铝金属间化合物Fe₃Al的成分，将质量百分比为6.01%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和14.79%铁粉，再与碳化钨、碳化钛粉末球磨混合，其中碳化钨、碳化钛粉末分别占球磨混合物料的质量百分比为48.61%、30.59%；除低压液相烧结温度为1500℃外，其余工艺步骤、条件、参数同实施例17，获得的以铁-铝金属间化合物Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中Fe₃Al的体积百分比为25%。该硬质合金的扫描电镜照片见图2，性能详见表1。

表1

由图1、图2可知，本发明制备的以铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al为粘结相的硬质合金成分均匀，液相烧结过程中不易产生孔隙，最终合金中孔隙少且小，致密性好；表1显示，其具有较高抗弯强度、较高硬度，耐磨性较好，FeAl或Fe₃Al作粘接相满足了材料在抗氧化性和抗硫腐蚀上的要求。

Claims (1)

1.一种以铁-铝金属间化合物为粘结相的硬质合金，硬质相为碳化钨和/或碳化钛，粘结相为体积百分比为10%-40%的铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al，该硬质合金的制造方法依次包括以下步骤：

（1）按铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al的成分、将质量百分比为1.69%～19.09%或1.31%～13.75%的铁-铝金属间化合物Fe₂Al₅的预合金粉末和2.10%～23.78%或3.23%～33.81%铁粉，再与余量的碳化物粉末球磨混合18～36小时，获得球磨混合物料；

（2）球磨混合物料经喷雾干燥制备成均匀的混合料粉末；

（3）将上述混合料粉末压制成型；

（4）压坯在烧结过程中，在1200℃±20℃、真空条件下保温1~2小时，然后经1250℃～1550℃的低压液相烧结，即可得到所述的以铁-铝金属间化合物FeAl或Fe₃Al为粘结相的硬质合金，其中FeAl或Fe₃Al的体积百分比为10%～40%。

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