CN103243252A - 一种粘结相的碳化钨硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粘结相的碳化钨硬质合金及其制备方法，其中硬质合金包括作为硬质相的碳化钨粉末和作为粘结相的Fe3Al合金粉末，碳化钨的粒径范围为3~5μm，Fe3Al粉末占硬质合金的质量百分比为5.5%~15%，粒径范围为1~3μm。本发明制备方法，首先将提前过筛选好均匀粒度的WC和粘结剂Fe3Al粉末按需要质量分数配好，并添加添加剂，在球磨机中混合研磨；然后经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒压制；最后将制好的压坯置于真空烧结炉中真空烧结、热等静压处理，制成硬质合金。

Description

一种粘结相的碳化钨硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨部件的硬质合金领域，涉及一种以Fe3Al为粘结相的碳化钨硬质合金。 
背景技术
硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)为基体,以过渡族金属(Co、Fe、Ni)为粘结相,通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料,具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及化学性质较为稳定等优点,被广泛应用于切削工具、耐磨零件、采矿与筑路工程机械等领域。 
硬质合金的粘结相在合金整体性能中扮演很重要的角色。现阶段常见的WC基硬质合金的粘结相主要分为Co粘结相和非Co粘结相，其中Co粘结相的WC基硬质合金牌号为YG系列，已经广泛应用于切削工具、耐磨零件、采矿与筑路工程机械等领域。YG系列硬质合金在使用过程中一旦被破坏时硬质相WC基本上是脆性断裂而粘结相Co则具有大的变形能力。虽然粘结相Co在合金中所占的体积百分数不大但它却消耗了绝大多数的断裂能，故合金的强度和韧性在很大程度上取决于粘结相的强度和韧性。在YG系列硬质合金中硬度和韧性呈矛盾存在，硬质合金的韧性可以通过提高粘结相Co的含量来提高，但粘结相Co含量提高的同时也会造成合金整体硬度下降，耐磨性降低， 
另一方面YG系列硬质合金也具有材质脆硬、韧性差而且价格高等缺陷,其这些缺陷使其难以被制成大尺寸、形状复杂的构件加以应用。实际使用中硬质合金与钢体材质的焊接是弥补其不足的主要方法,但是钎焊的过程难以避免高温加热，甚至焊接后的热处理。这些高温处理对线膨胀系数相差比较大的硬质相WC和粘结相Co来说很容易产生很大的内应力，造成微裂纹，降低硬质合金的各方面性能。因此期望YG系列硬质合金的硬质相和粘结相能有较小的线膨胀系数差，粘结相不仅具有更好的力学性能和粘结性能的同时还能够降低成本。 
发明内容
技术问题：本发明提供一种以金属间化合物Fe3Al为粘结相、可以提高材料耐磨性的粘结相的碳化钨硬质合金及其制备方法。 
技术方案：本发明的粘结相的碳化钨硬质合金，包括作为硬质相的碳化钨粉末和作为粘结相的Fe3Al合金粉末，碳化钨的粒径范围为3～5μm，Fe3Al粉末占硬质合金的质量百分比为5.5%～15%，粒径范围为1～3μm，Fe3Al合金的成分包括： 
Al  14%～17%； 
Cr  1.3%～6.0%； 
Nb  2.0%～2.4%； 
Zr  0.3%～0.5%； 
B   0.1%～0.3%； 
Ce  0.2%～0.5%； 
Fe  75%～80%。 
本发明的制备粘结相的碳化钨硬质合金的方法，包括如下步骤： 
a）首先将提前过筛选好粒度均匀的碳化钨粉末和Fe3Al合金粉末按85:15～94.5:5.5比例范围配好，并添加占碳化钨粉末与Fe3Al合金粉末混合物总质量0.5%～1%的硬脂酸配料作为添加剂，在球磨机中进行混合并研磨45～50小时； 
b）将混合并研磨后的原料经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒，再在900～1200kg/cm2的压力下进行压制，制成压坯； 
c）将制好的压坯置于真空度为4×10-4MPa～5×10-4MPa的真空烧结炉中加热至1250℃～1350℃真空烧结1～2小时，接着在1250℃～1350℃和100～120MPa下进行1～2小时的热等静压处理，制成硬质合金。 
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点： 
本发明提出了一种以金属间化合物Fe3Al为粘结相的WC新型硬质合金及其真空烧结工艺。通过用Fe3Al作为新的粘结相替代Co，从而提高硬质合金 的硬度及耐磨性能，同时降低了硬质相与粘结相之间的线膨胀系数差，并且还使硬质合金制备成本降低。经新粘结相真空烧结后制备的硬质合金，获得硬质相与粘结相的良好粘合，如图1所示，从图中可以看出，硬质相WC与粘结相Fe3Al能良好粘合，硬质相WC的颗粒大小在3～5μm左右。通过这种方法获得的硬质合金，性能改进如下： 
1）提高硬度和耐磨性。粘结相Co的硬度为HB=125；粘结相Fe3Al的硬度为HRC≥29。 
2）缩小粘结相与硬质相之间热膨胀系数差。 
硬质相WC热膨胀系数为：4.50×10-6/K； 
粘结相Co热膨胀系数为：12.5×10-6/K，热膨胀系数之差为：8×10-6/K； 
粘结相Fe3Al热膨胀系数为：11.5×10-6/K，热膨胀系数之差为：7×10-6/K。 
3）降低成本。 
由于粘结相Co的密度为：8.9g/cm3，而粘结相Fe3Al的密度为：6.7g/cm3。以Fe3Al为粘结相的硬质合金可以降低合金本身自重，并且金属件化合物Fe3Al价格更是低于金属Co的价格，因此Fe3Al作为粘结相可以减少生产成本。 
综上所述，本发明的硬质合金具有优异的硬度及耐磨性能，可以提高合金的硬度及耐磨性能，在耐磨硬件中可以提供优异耐磨性，例如：钻地，铣刨路面，油气钻探及挖掘等耐磨部件。降低了硬质相与粘结相之间的线膨胀系数差，降低合金烧结时产生的内应力，还使同类型的硬质合金制备成本降低，并且制备方法工艺简单，成本相对较低，可以大规模生产。 
附图说明
图1为真空烧结制备以Fe3Al为粘结相的WC新型硬质合金SEM照片。 
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步具体说明。 
实施例1： 
a)首先将提前过筛选好均匀粒度为3～5μm的WC粉末和粒度为1～3μm的粘结剂Fe3Al粉末按质量百分数85%、15%配好，其中Fe3Al合金的成分为 （占Fe3Al合金得质量百分比）：Al17%；Cr5.2%；Nb2.0%；Zr0.3%；B0.1%；Ce0.5%；Fe75%。并添加1%硬脂酸配料作为添加剂，在球磨机中进行混合并研磨45小时； 
b）将混合并研磨好的原料经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒，再在900kg/cm2的压力下进行精密压制，制成压坯； 
c）将制好的压坯置于真空度为4×10-4MPa的真空烧结炉中加热至1250℃真空烧结1小时，接着在1250℃和100MPa下进行1小时的热等静压处理，制成硬质合金。待冷却后取出即得到成品。 
实施例2： 
a）首先将提前过筛选好均匀粒度为3～5μm的WC和粒度为1～3μm粘结剂Fe3Al粉末按质量分数92%、8%配好，其中Fe3Al合金的成分为（占Fe3Al合金得质量百分比）：Al15.6%；Cr1.3%；Nb2.2%；Zr0.4%；B0.2%；Ce0.3%；Fe80%。并添加0.8%硬脂酸配料作为添加剂，在球磨机中进行混合并研磨48小时； 
b）将混合并研磨好的原料经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒，再在1000kg/cm2的压力下进行压制，制成压坯； 
c）将制好的压坯置于真空度为4.5×10-4MPa的真空烧结炉中加热至1300℃真空烧结1.5小时，接着在1300℃和110MPa下进行1.5小时的热等静压处理，制成硬质合金。待冷却后取出即得到成品。 
实施例3： 
a）首先将提前过筛选好均匀粒度为3～5μm的WC和粒度为1～3μm粘结剂Fe3Al按质量分数94.5%、5.5%配好，其中Fe3Al合金的成分为（占Fe3Al合金得质量百分比）：Al14%；Cr6%；Nb2.4%；Zr0.5%；B0.3%；Ce0.2%；Fe76.6%。并添加0.5%添加剂硬脂酸配料，在球磨机中进行混合并研磨50小时； 
b）将混合并研磨好的原料经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒，再在1200kg/cm2的压力下进行压制，制成压坯； 
c）将制好的压坯置于真空度为5×10-4MPa的真空烧结炉中加热至1350 ℃真空烧结2小时，接着在1350℃和120MPa下进行2小时的热等静压处理，制成硬质合金。待冷却后取出即得到成品。 
所制硬质合金性能 
Figure BDA00003171988300051
。

Claims (2)

1.一种粘结相的碳化钨硬质合金，其特征在于，该硬质合金包括作为硬质相的碳化钨粉末和作为粘结相的Fe3Al合金粉末，所述碳化钨粉末的粒径范围为3~5μm，所述Fe3Al合金粉末占硬质合金的质量百分比为5.5%~15%，粒径范围为1~3μm，Fe3Al合金的成分包括：
Al  14%~17%；
Cr  1.3%~6.0%；
Nb  2.0%~2.4%；
Zr  0.3%~0.5%；
B   0.1%~0.3%；
Ce  0.2%~0.5%；
Fe  75%~80%。
2.一种制备权利要求1所述粘结相的碳化钨硬质合金的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a）首先将提前过筛选好粒度均匀的碳化钨粉末和Fe3Al合金粉末按85:15~94.5:5.5例配好，并添加占碳化钨粉末与Fe3Al合金粉末混合物总质量0.5%~1%的硬脂酸配料作为添加剂，在球磨机中进行混合并研磨45~50小时；
b）将混合并研磨后的原料经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒，再在900~1200kg/cm2的压力下进行压制，制成压坯；
c）将制好的压坯置于真空度为4×10-4MPa~5×10-4MPa的真空烧结炉中加热至1250℃~1350℃真空烧结1~2小时，接着在1250℃~1350℃和100~120MPa下进行1~2小时的热等静压处理，制成硬质合金。
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