CN102994792B - 一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法 - Google Patents

一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法，它由常规原料亚细WC粉采用强化研磨加工、配料、湿磨、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型、加压烧结八个工艺流程完成其制备方法；该方法采用Fsss粒度为0.6～0.8μm的普通亚细颗粒WC粉以及粒度0.2～0.4μm金属Co粉；增加的强化研磨处理工序来改变亚细颗粒WC的粒度及粒度分布，得到的超粗晶粒硬质合金中WC的平均粒度达到0.2～0.4μm，韧性高，而且结晶完整、缺陷少、微观应变小，亚细晶均匀、显微硬度高，其耐磨性和抗冲击韧性得到极大的提高。

Description

一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硬质合金的制备方法，特别是一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法。
背景技术
随着硬质合金工业的不断发展，对其原料WC粉(即碳化钨粉)的要求越来越高，特别是纳米型硬质合金的制备，对WC粉的粒度有严格的要求，目前，WC粉的聚集程度较高，碳化钨粉生产商对粉末粒度的控制很难达到纳米晶硬质合金制造的要求，所生产的WC粉末都存在WC颗粒聚集体。由于聚集体的结合松紧程度不一，因而加大了优质硬质合金的制造难度，使硬质合金制品在耐磨性和韧性上难做到高度的统一；而进口的WC粉末成本大高，不利于国内规模化生产。所以目前所普遍采用的经湿磨、干燥、压制成型、真空烧结等工序生产的钨钴硬质合金的晶粒在1.2~4.0μm之间，抗弯强度2200~3000MPa，硬度HRA86.0~91.0，强度和显微硬度匹配较差，综合性能较低，尤其是合金的高温硬度和高温强度不高，抗冲击和抗热塑变能力较差，难适合在高温环境下工作，大大制约了硬质合金的应用范围。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法，通过其制备的硬质合金的WC平均晶粒度达到0.2～0.4μm，抗弯强度达到4000～5400MPa，硬度HRA92.5～93.8，可实现合金强度和显微硬度的良好匹配，使硬质合金制品在耐磨性和韧性上达到高度的统一，提高了合金的综合使用性能。
本发明是采用如下技术方案实现其发明目的，一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法，它由常规原料亚细WC粉采用强化研磨加工、配料、湿磨、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型、加压烧结八个工艺流程完成其制备方法；
强化研磨加工：采用粒度为0.6~0.8μm(FSSS)的亚细WC粉为原料，以1~2‰VC和2~5‰Cr2C为抑制剂，采用化学试剂吐温80和研磨相结合的强化研磨工艺研磨时的丙酮和正已烷混合比为6~8:2~4，吐温80与球磨介质混合液的质量比为6~10:90~94；球料之比为3.25:1，固液之比为5:1，研磨时间为24～48小时；
配料：配料时选用0.2~0.4μm(FSSS)的超细粒度钴粉和强化研磨后的0.1~0.4μm(FSSS)超细粒度碳化钨进行混合，钴粉与碳化钨粉的质量之比为6～13:87～94；
湿磨：将配比好的的混合粉末加入球磨介质及硬质合金球置于球磨机内进行混合研磨；其碳化钨和钴混合粉末、球磨介质、硬质合金球的质量配比为：钨钴硬质合金粉:球磨介质:硬质合金球=3.25:1:16.25，研磨时间为24小时；
干燥：将混合研磨好的粉料按工艺要求过滤后置于真空干燥器内加热以蒸发球磨介质，使混合料保持干燥；
掺成形剂：将混合干燥好的混合料按比例掺入石蜡或PEG成形剂使混合料成形，其混合料与石蜡或PEG成形剂的比例为：混合料:石蜡或PEG成形剂=98:2；
制粒：将成形的混合粉料制成设计要求尺寸大小的颗粒状，以提高粉末的流动性能；
压制成型：将颗粒状粉料压制成所需要形状的压坯；
加压烧结：将压制成型的硬质合金压坯置于一体化脱脂加压烧结炉中进行最高温度为1400～1430℃烧制，在最高温度时加压2.5MPa保压、保温40分钟；
球磨介质为丙酮和正已烷混合液，其质量比为6~8:2~4，将亚细的WC粉通过24～48小时的喷射研磨，分散和分级筛分；去除粗粒度的WC颗粒，筛分的粗粒度的WC进行再研磨，最终选用平均粒度为0.1~0.4μm(FSSS)的超细粒度WC粉；通过再湿磨24小时、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和1400～1430℃加压烧结制备的硬质合金的WC平均晶粒度达到0.2～0.4μm，抗弯强度达到4000～5400MPa，硬度HRA92.5.0～93.8的高强、高硬度系列纳米硬质合金。
本发明的优选技术方案是：所述研磨时的丙酮和正已烷混合比为6~8:2~4，球料之比为3.25:1，固液之比为5:1，研磨时间为24～48小时。
本发明进一步的优选技术方案是：所述研磨时添加化学试剂为吐温80与丙酮和正已烷混合液之比为6～10:90～94。
本发明更进一步的优选技术方案是：VC和Cr2C为抑制剂的添加量分别为1~2‰和2~5‰。
本发明再进一步的优选技术方案是：所述加压烧结的最高温度为1400～1430℃。
本发明所述的WC是指：碳化钨；
本发明所述的Fsss粒度是指：Fsss英文全名为FisherSub-sieveSizer，即“费氏筛”测定的粒度；
本发明所述的Co是指：金属钴；
本发明所述的WC粉是指：碳化钨粉。
本发明由于采用了上述技术方案，较好的实现了其发明目的，与现有技术相比具有如下特点：采用Fsss粒度为0.6～0.8μm的普通亚细颗粒WC粉以及粒度0.2～0.4μm金属Co粉；增加的强化研磨处理工序来改变亚细颗粒WC的粒度及粒度分布，辅以添加VC和Cr2C抑制剂减缓了烧结过程中WC晶粒的不规则长大，使WC保持烧结之前的形貌；同时优化使用化学试剂吐温80及球磨介质丙酮和正已烷混合液进行强化球磨，防止纳米级混合料在生产过程中氧化和自燃；优化烧结温度控制合金的晶粒过分长大，使最终得到的超粗晶粒硬质合金中WC的平均粒度达到0.2～0.4μm，韧性高，而且结晶完整、缺陷少、微观应变小，亚细晶均匀、显微硬度高，其耐磨性和抗冲击韧性得到极大的提高，抗弯强度达到了4000～5400MPa，硬度达到了HRA92.5.0～93.8，实现了强度和显微硬度的良好匹配，从而使合金综合性能大大地提高；由于本发明的高强度、高硬度纳米晶硬质合金通过控制金属钴和WC粉末的粒度及WC粉晶型结构，既强化了粘结相的强度及改善晶间微观结构，提高合金的韧性和耐磨性，使得由本发明的高强度、高硬度纳米晶硬质合金制造的矿山、挖掘工具用齿等质量稳定，其使用寿命延长了30%以上，极大地扩大了硬质合金的使用范围。
具体实施方式：
下面根据实施例对发明内容作进一步说明：
实施例1：
一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤：常规原料强化研磨加工、配料、湿磨、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和加压烧结；以粒度为0.6~0.8μm(FSSS)的亚细WC粉为原料，以1‰VC和2.5‰Cr2C为抑制剂，采用化学试剂吐温80及丙酮和正已烷混合液质量比为1:9进行研磨相结合的强化研磨工艺，球磨介质为丙酮和正已烷混合液，其质量比为6:4，将亚细的WC粉通过28小时的喷射研磨，分散和分级筛分；去除粗粒度的WC颗粒，筛分的粗粒度的WC进行再研磨，最终选用平均粒度为0.1~0.4μm(FSSS)的超细粒度WC粉；配料时选用0.2~0.4μm(FSSS)的超细粒度钴粉和强化研磨后的0.1~0.4μm(FSSS)超细粒度碳化钨进行混合，钴粉与碳化钨粉的质量之比为10:90；通过再湿磨24小时、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和最高烧结温度为1400℃的加压2.5MPa烧结制备硬质合金。
将通过本实施例得到的纳米晶钨钴硬质合金（成型尺寸为6.5*5.25*20μm的标准产品）样本100件进行检测，得到WC平均晶粒度为0.4μm、平均抗弯强度为4800MPa、平均硬度为HRA92.8。
实施例2：
一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤：常规原料强化研磨加工、配料、湿磨、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和加压烧结；以粒度为0.6~0.8μm(FSSS)的亚细WC粉为原料，以1.5‰VC和3.5‰Cr2C为抑制剂，采用化学试剂吐温80及丙酮和正已烷混合液质量比为1.5:8.5进行研磨相结合的强化研磨工艺，球磨介质为丙酮和正已烷混合液，其质量比为7:3，将亚细的WC粉通过36小时的喷射研磨，分散和分级筛分；去除粗粒度的WC颗粒，筛分的粗粒度的WC进行再研磨，最终选用平均粒度为0.1~0.4μm(FSSS)的超细粒度WC粉；配料时选用0.2~0.4μm(FSSS)的超细粒度钴粉和强化研磨后的0.1~0.4μm(FSSS)超细粒度碳化钨进行混合，钴粉与碳化钨粉的质量之比为10:90；通过再湿磨24小时、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和最高烧结温度为1410℃的加压2.5MPa烧结制备硬质合金。
将通过本实施例得到的纳米晶钨钴硬质合金（成型尺寸为6.5*5.25*20μm的标准产品）样本100件进行检测，得到WC平均晶粒度为0.3μm、平均抗弯强度为4400MPa、平均硬度为HRA93.1。
实施例3：
一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤：常规原料强化研磨加工、配料、湿磨、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和加压烧结；以粒度为0.6~0.8μm(FSSS)的亚细WC粉为原料，以1‰VC和4.5‰Cr2C为抑制剂，采用化学试剂吐温80及丙酮和正已烷混合液质量比为1:9进行研磨相结合的强化研磨工艺，球磨介质为丙酮和正已烷混合液，其质量比为7:3，将亚细的WC粉通过42小时的喷射研磨，分散和分级筛分；去除粗粒度的WC颗粒，筛分的粗粒度的WC进行再研磨，最终选用平均粒度为0.1~0.4μm(FSSS)的超细粒度WC粉；配料时选用0.2~0.4μm(FSSS)的超细粒度钴粉和强化研磨后的0.1~0.4μm(FSSS)超细粒度碳化钨进行混合，钴粉与碳化钨粉的质量之比为10:90；通过再湿磨24小时、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和最高烧结温度为1420℃的加压2.5MPa烧结制备硬质合金。
将通过本实施例得到的纳米晶钨钴硬质合金（成型尺寸为6.5*5.25*20μm的标准产品）样本100件进行检测，得到WC平均晶粒度为0.2μm、平均抗弯强度为5250MPa、平均硬度为HRA93.8。

Claims (1)

1.一种高强度、高硬度纳米晶钨钴硬质合金的制备方法，它由常规原料亚细WC粉采用强化研磨加工、配料、湿磨、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型、加压烧结八个工艺流程完成，所述制备方法中的粒度均为费氏筛测定的粒度，其制备方法具体为：
强化研磨加工：采用粒度为0.6～0.8μm的亚细WC粉为原料，以1～2‰VC和2～5‰Cr2C为抑制剂，采用化学试剂吐温80和研磨相结合的强化研磨工艺，研磨时的丙酮和正已烷混合比为6～8:2～4，吐温80与球磨介质混合液的质量比为6～10:90～94；球料之比为3.25:1，固液之比为5:1，研磨时间为24～48小时；
配料：配料时选用0.2～0.4μm的超细粒度钴粉和强化研磨后的0.1～0.4μm超细粒度碳化钨进行混合，钴粉与碳化钨粉的质量之比为6～13:87～94；
湿磨：将配比好的的混合粉末加入球磨介质及硬质合金球置于球磨机内进行混合研磨；其中碳化钨和钴混合粉末、球磨介质、硬质合金球的质量配比为：碳化钨和钴混合粉末:球磨介质:硬质合金球＝3.25:1:16.25，研磨时间为24小时；
干燥：将混合研磨好的粉料按工艺要求过滤后置于真空干燥器内加热以蒸发球磨介质，使混合料保持干燥；
掺成形剂：将混合干燥好的混合料按比例掺入石蜡或PEG成形剂使混合料成形，其中混合料与石蜡或PEG成形剂的比例为：混合料:石蜡或PEG成形剂＝98:2；
制粒：将成形的混合粉料制成设计要求尺寸大小的颗粒状，以提高粉末的流动性能；
压制成型：将颗粒状粉料压制成所需要形状的压坯；
加压烧结：将压制成型的硬质合金压坯置于一体化脱脂加压烧结炉中进行最高温度为1400～1430℃烧制，在最高温度时加压2.5MPa保压、保温40分钟；
球磨介质为丙酮和正已烷混合液，其质量比为6～8:2～4，将亚细的WC粉通过24～48小时的喷射研磨，分散和分级筛分；去除粗粒度的WC颗粒，筛分的粗粒度的WC进行再研磨，最终选用平均粒度为0.1～0.4μm的超细粒度WC粉；通过再湿磨24小时、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和1400～1430℃加压烧结制备的硬质合金的WC平均晶粒度达到0.2～0.4μm，抗弯强度达到4000～5400MPa，硬度HRA92.50～93.8的高强、高硬度系列纳米硬质合金。
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