CN102409215A

CN102409215A - 大切削量刀具用超细硬质合金及其制备方法

Info

Publication number: CN102409215A
Application number: CN2011103471417A
Authority: CN
Inventors: 蒋显全; 姜爱民; 张秀锦
Original assignee: Southwest University
Current assignee: Southwest University
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: CN102409215B

Abstract

本发明涉及一种超细硬质合金及其制造方法，其制备包括配料、湿磨、干燥、掺胶、压制、烧结、冷却等工序。在配料时选用0.4μm的超细WC粉末作为硬质相，重量百分比为8%的Co粉作为粘结相，钴粉的费氏粒度为1.42μm，抑制剂的加入量为VC:0.2%，NbC:0.4%。采用真空烧结一体烧结炉真空烧结工艺，烧结温度1440℃，保温时间1.5小时。最后制得抗弯强度1787MPa，硬度1950HV₃₀，平均晶粒尺寸470nm的超细硬质合金，具有高耐磨性和高抗扭转能力。能应用于大切削量的粗车车削。

Description

大切削量刀具用超细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，更具体的说，涉及一种超细硬质合金及制备方法。

背景技术

硬质合金综合了碳化物的高硬度、耐磨性和金属粘结相足够的韧性和抗热震性能，被广泛用于现代加工加工切削领域。目前国内在金属切削粗加工所采用的材质一般为粒度0.8-2.0μm左右的WC粉和重量百分比为8%Co粉，并添加重量百分比为0.8%的晶粒抑制剂（如VC、Cr₂C₃、TaC）,经球磨、干燥，压制成型和烧结，最终得到成品。用此方法制得的硬质合金硬度抗弯强度都比较低，HV30:1500-1700，耐磨性较差，并且抗弯强度都比较低，在1450-1600MPa，抗扭折能力也较差。采用超细硬质合金制备的刀具则能满足高硬度、高强度、高使用寿命。同时超细硬质合金中WC晶粒细小，能保证刀具刃口可以磨得锋利，光洁。

发明内容

本发明的目的是通过向硬质合金粉末中加入晶粒长大抑制剂VC和NbC，在烧结阶段抑制WC晶粒的长大，从而得到一种具有高强度、高硬度的超细硬质合金，提供一种新的具有高强度、高硬度的超细硬质合金配方；本发明的另一目的是提供一种制造具有高强度、高硬度的超细硬质合金制备方法。

本发明提出的超细硬质合金主要由WC硬质相、Co为粘结金属相和一定量的抑制剂三者组成的复合金属，合金的组成成分及重量含量如下：

硬质相：0.4μm的WC 91.4%

粘结相：1.42μm的Co 8%

抑制剂：1.39μm的VC 0.2 % 2.5μm的NbC 0.4 %

本发明中，由于选用了细WC粉以及采用适量的VC和NbC做晶粒长大抑制剂，细化了合金的晶粒，降低合金的空隙度，并提高了合金中面心立方Co的含量，可使得硬质合金中WC的平均晶粒度达（390-540）nm，硬质合金的硬度达HV30：（1873-1950），硬质合金的抗弯强度MPa：(1714-1854)。

本发明同时提出制备上述超细硬质合金的方法，其包括以下步骤：

（1）配料，配制一定含量抑制剂含量的WC-8%Co硬质合金粉末，

原料	费氏粒度	碳含量（%）	游离碳（%）	氧含量（%）	占合金重量比（%）
						WC	0.4	6.13	0.12	0.35	91.4
Co	1.42	0.011			8.0
						VC	1.39	17.82	0.99		0.2
NbC	2.5	11.21	0.1		0.4

（2）湿磨，球磨介质为纯度99.99%的无水乙醇，球料比5:1，球磨时间60-100小时，球磨中每隔12小时翻动球磨筒一次。

（3）干燥，球磨后湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥。

（4）掺胶，干燥后的粉料过80目筛网。加入汽油橡胶溶液橡胶加入量为70-130ml/kg。干燥，过60目筛网待用

（5）压制，将步骤（4）得出粉料在单柱液压机压制成7.02×8.04×24.74mm³的B型条。

（6）烧结，将（5）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结，烧结过程分为三个烧结阶段，室温～500℃为脱胶阶段，500～1230℃为固相烧结阶段，最后为最高烧结温度，同时保温1.5h。

（7）冷却，随炉冷却至室温，并将B型条取出。

（8）性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度；根据GB7887-87测试硬质合金的韦氏硬度；根据GB3488-83标准硬质合金的显微组织。

以上方法，通过采用原始粒度为0.4μm的碳化钨，能保证在球磨后粉末粒度分布均匀，且WC颗粒细小，有利于提高合金的抗弯强度与维氏硬度，从而提高合金的耐磨性与抗扭折能力。通过添加VC、NbC后能有效抑制合金在烧结过程中晶粒的长大。传统单一添加VC会降低合金中WC的晶粒尺寸，提高合金的力学性能，但是VC的加入会使合金脱碳，出现脆性相η相，从而降低合金的抗弯强度。单一的NbC同样也能降低合金中WC得晶粒尺寸，但NbC抑制晶粒长大的效果较VC弱。通过复合添加两种抑制剂，适量的VC、NbC复合作用降低合金晶粒尺寸，同时NbC的加入能调节合金的碳含量，使合金中 η相减少，同时VC、NbC能固溶于Co相中，提高合金中面心立方Co的含量，从而提高合金的抗弯强度，而硬度却不受影响。VC的抑制效果随温度变化很大，而NbC受温度影响较小，两者复合添加能保证在不同的温度下，抑制效果不受影响。本工艺中加入130ml/kg的橡胶，可以有效的降低合金中碳含量，提高合金的性能。

附图说明

图1添加抑制剂的硬质合金的扫描电镜照片；

图2添加抑制剂的硬质合金1400℃烧结扫描电镜照片；

图3添加抑制剂的硬质合金1440℃烧结扫描电镜照片；

图4添加抑制剂的硬质合金1450℃烧结扫描电镜照片；

图5未添加抑制剂的硬质合金XRD图；

图6添加VC/NbC抑制剂的硬质合金XRD图；

图7是硬质合金在烧结过程中溶解-析出中存在的三种物质迁移过程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：

（2）湿磨，球磨介质为纯度99.99%的无水乙醇，球料比5:1，球磨时间60小时，球磨中每隔12小时翻动球磨筒一次。

（4）掺胶，干燥后的粉料过80目筛网。加入汽油橡胶溶液90ml/kg。干燥，过60目筛网待用

（5）压制，将步骤（5）得出粉料在单柱液压机压制成7.02×8.04×24.74mm³的B型条。

（6）烧结，将（5）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结，烧结过程分为三个烧结阶段，室温～500℃为脱胶阶段，500～1230℃为固相烧结阶段，最后在1400℃烧结，同时保温1.5h。

（7）冷却，随炉冷却至室温，并将B型条取出。

性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度，其值为：1714MPa；根据GB7887-87测试硬质合金的韦氏硬度，其值为：1899HV₃₀；根据GB3488-83标准硬质合金的显微组织，其晶粒度为：380nm，参见图2。

实施例2：

请参见图1和：所示的超细硬质合金制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

原料	费氏粒度	碳含量（%）	游离碳（%）	氧含量（%）	占合金重量比（%）
						WC	0.4	6.13	0.12	0.35	91.4
Co	1.42	0.011			8.0
						VC	1.39	17.82	0.99		0.2
NbC	2.5	11.21	0.1		0.6

（6）烧结，将（5）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结，烧结过程分为三个烧结阶段，室温～500℃为脱胶阶段，500～1230℃为固相烧结阶段，最后在1440℃烧结，同时保温1.5h。

（7）冷却，随炉冷却至室温，并将B型条取出。

（8）性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度，其值为：1787MPa；根据GB7887-87测试硬质合金的韦氏硬度，其值为：1950HV₃₀；根据GB3488-83标准硬质合金的显微组织,其晶粒度为：470nm，参见图3.

实施例3：

（6）烧结，将（5）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结，烧结过程分为三个烧结阶段，室温～500℃为脱胶阶段，500～1230℃为固相烧结阶段，最后在1450℃烧结，同时保温1.5h。

（7）冷却，随炉冷却至室温，并将B型条取出。

（8）性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度，其值为：1854MPa；根据GB7887-87测试硬质合金的韦氏硬度，其值为：1873HV₃₀；根据GB3488-83标准硬质合金的显微组织，其晶粒度为540nm，参见图4,。

以下对本发明中所得到的超细硬质合金进行验证：

硬质合金弯强度和硬度，都受硬质合金晶粒尺寸、孔隙度、碳含量、钴相结构的影响。加入VC、NbC后，合金的微观组织形貌、结构发生了较大的改变。

（1）合金微观组织

请参见图1、2、3、4：可以看出其微观组织发生了变化，具体可以看出：未添加抑制剂的硬质合金平均晶粒尺寸大，达到540nm，合金中有大量异常长大且连接在一起的晶粒，合金中无明显空隙存在；加入0.2%VC+0.4NbC后，合金的平均晶粒尺寸降低，合金的空隙增加。晶粒分布均匀，无异常长大晶粒。

（2）合金的相组成

请参见图5和图6：图5是未添加抑制剂的硬质合金X射线衍射图，图6是添加VC/NbC抑制剂的硬质合金X射线衍射图，添加VC/NbC后合金内部粘结相Co相发生了变化。具体可以看出：未添加抑制剂的硬质合金的X射线衍射图中没有α-Co相的峰，添加VC/NbC的硬质合金X射线衍射图中有α-Co相的峰出现。表明添加VC/NbC后，合金中出现了α-Co相

3 分析

硬质合金在烧结过程中，溶解-析出中存在三种物质迁移过程。请参见图7。第一个过程是接触区平直化，该过程是两颗粒接触处由于润湿液相的毛细管产生的应力使接触处的固体择优溶解，在离开接触处后，再沉淀出来，使两颗粒的中心移近。第二个过程是小颗粒的WC溶解，然后在大尺寸的WC颗粒表面上沉淀，根据Ostwald熟化理论，曲率半径小的颗粒表面在液相中的溶解度大于曲率半径大的颗粒。第二过程受固相通过液相中的扩散速率或是固相中的溶解速率控制，动力学过程取决于材料中固相与液相的体积分数，对于硬质合金来说，两个因素都起作用，但是扩散过程有可能控制着溶解—析出速率。第三个过程是固相颗粒的合并，两个WC颗粒通过W原子在WC/WC晶界的扩散完成。上述三个过程中第一个过程主要发生在固相阶段的初期，随后发生第三种过程，而第二过程则主要发生在液相阶段。

当添加抑制剂VC/NbC时，在固相烧结阶段，一部分VC、NbC吸附在WC的表面，降低了WC的表面能，使晶粒长大受到抑制；在液相烧结初期，其扩散速率主要受到表面扩散的影响，原子会沿着表面扩散到颈部区域，并与该区域过剩的空位交换位置。添加的抑制剂VC、NbC会吸附在WC的表面，表面能降低，从而使扩散速率降低，合金的致密化过程受阻。在液相烧结中期，一部分VC、NbC溶于液相钴中，使WC在Co相中的溶解度降低，减弱了析出时重结晶长大过程。由于VC在Co相中的溶解度远大于NbC，因此，剩余的NbC会在界面处偏聚或形成网状（W、Nb）C脆性相，阻碍WC界面的迁移，使抑制了WC晶粒长大。因此硬质合金的晶粒得到细化。抗弯强度和硬度均得到上升。

当溶剂原子溶于溶质中形成固溶体时，因为原子大小的差别使溶质原子形成的晶体点阵发生畸变，并且畸变能增加；同时形成各种气团，钉扎位错，增加了层错能，降低了层错宽度，阻碍马氏体相变过程。原子的电负性相差在0.4易于形成固溶体，两组元的原子半径相差不超过15%有利于固溶。通过计算可知钒和钴的原子半径相差4.9%，电负性相差0.25；铌和钴的原子半径相差13.43%。电负性相差0.38。钒和铌能固溶在粘结相金属Co中，由于原子半径的差别，从而会阻碍-Co向-Co转变马氏体转变过程，使合金的抗弯强度提高。无论是-Co还是-Co其自身硬度都很低，对合金的硬度影响较小。

Claims

1.一种超细硬质合金，其特征在于：该合金主要由WC硬质相、Co为粘结金属相和一定量的抑制剂三者组成的复合金属，合金的组成成分及重量含量如下：

硬质相：0.4μm的WC 91.4%

粘结相：1.42μm的Co 8%

抑制剂：1.39μm的VC 0.2 % 2.5μm的NbC 0.4 %。

2.权利要求1所述的超细硬质合金的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

配料，按权利要求1所述的合金组成成分及重量含量配制硬质合金粉末；

湿磨，球磨介质为纯度99.99%的无水乙醇，球料比5:1，球磨时间60-100小时，球磨中每隔12小时翻动球磨筒一次；

干燥，球磨后湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥；

掺胶，干燥后的粉料过80目筛网，加入汽油橡胶溶液，橡胶加入量为130ml/kg；干燥，过60目筛网待用；

压制，将步骤（4）得出粉料在单柱液压机压制成7.02×8.04×24.74mm³的B型条；

烧结，将（5）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结，烧结过程分为三个烧结阶段，室温～500℃为脱胶阶段，500～1230℃为固相烧结阶段，最后为最高烧结温度1400-1450℃，同时保温1.5h；

冷却，随炉冷却至室温，并将B型条取出；

性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度；根据GB7887-87测试硬质合金的韦氏硬度；根据GB3488-83标准硬质合金的显微组织。