CN103243253A - 硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硬质合金及其制备方法，本发明所解决的技术问题是提供了一种硬质合金，本发明的硬质合金由如下重量百分比原料制备而成：Co:13.2～13.5%，Cr3C2:0.50～0.60%，TaC:0.3～0.5%，余量为WC；其中，WC的粒度为0.4～0.5μm。本发明所述的硬质合金的制备方法，包括如下步骤：按重量比取各组分，混匀，真空干燥，掺蜡成型，均匀化破碎，过筛，压制，低压烧结得到硬质合金。

Description

硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金及其制备方法，具体是涉及一种用于生产锂电池极片分条刀的硬质合金。
背景技术
WC-Co硬质合金具有特殊的耐腐蚀性、高硬度、优良的断裂韧性和抗压强度，应用于耐磨腐蚀零件和结构部件，高压容器的柱塞，液缸、精密轧辊，合成金刚石的顶锤、钢丝滚轧机的轧辊等，在机械、冶金、切削工具、精密仪器、军工等领域占有极其重要的地位。
特别是电池行业的钨钢刀具，其是一个新兴的，潜力巨大的市场。经过调查发现，作为锂电等新能源装备制造业，关键零部件切削加工所采用的用于锂电极片分切的分条刀不仅市场容量大，而且刀具开发相对滞后，大量刀具基本依靠进口国外高速钢刀具，如日本西村、日本东洋等；寿命不长，为钨钢刀具使用寿命几分之一或几十分之一；价格昂贵，是国内产品的数十倍。
由于日本进口锂电池极片分条刀多采用高速钢如SKD11等制作，用硬质合金来生产分条刀的技术并不多。因此研究适合于锂电池极片分切的硬质合金刀具配方就是关键问题。主要是在硬度的控制上。过硬，易出现缺口、崩刃现象；过软，产品磨损快，使用寿命短。因此，研制高精度锂电池极片分条刀硬质合金材料，以弥补国内产品空白，打破国外相关产品在国内的垄断地位，提升企业行业竞争实力和具备可持续发展能力，适应国家装备制造业的发展需要具有重大意义。
针对专利公开文件CN101104892A，其公开了一种超细晶WC-Co硬质合金的制备方法，其采用六面顶超高压烧结制备超细晶WC-Co硬质合金，烧结压力高达10-12GPa,虽然缩短了烧结时间，提高了生产效率，制得了WC晶粒尺寸不发生变化的超细硬质合金，但其抗弯强度和耐磨性有待考量，而且这样的操作方式是很难达到的，具有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硬质合金及其制备方法，特别是提供一种用于生产锂电池极片分条刀的硬质合金。
本发明的硬质合金，按重量百分比由如下原料制备而成：Co:13.2～13.5%，Cr3C2:0.5～0.6%，TaC:0.3～0.5%，余量为WC；其中，WC的粒度为0.4～0.5μm。
进一步地，为了得到性能更好的硬质合金，优选所述的Co的粒度≤1.0μm，Cr3C2的粒度≤1.0μm，TaC的粒度≤1.0μm。
更进一步地，优选硬质合金按重量百分比由如下原料制备而成：Co:13.5%，Cr3C2:0.55%，TaC:0.5%，余量为WC；其中，WC的粒度为0.4～0.5μm。
其中，Cr3C2和TaC为晶粒抑制剂。
本发明硬质合金的制备方法，包括如下步骤：按重量比取各组分，混匀，真空干燥，掺蜡成型，均匀化破碎，过筛，压制，低压烧结得到硬质合金。其流程图如图1所示。
进一步地，优选上述的混匀方式为湿磨，湿磨介质为无水酒精，无水酒精与原料的液固比为350ml酒精/kg混合料，液固比为每千克硬质合金原料中加入无水酒精的体积。湿磨的目的是使物料充分混匀，并具有较好的压制和烧结性能。
进一步地，优选上述掺蜡成型为掺石蜡成型。
优选上述制备方法中压制的单位压制压力为0.5～1.0MPa。
所述的低压烧结包括如下步骤：将压制得到的半成品放入低压烧烧结炉内，烧结压力设置为4.5～5.5MPa，先在400～500℃时将半成品中的蜡脱净，后将烧结温度控制为1360～1400℃，保温保压一段时间，冷却，冷却时压力为3.5～4.5MPa，出炉得到硬质合金。
优选烧结温度为1380℃，烧结压力为5MPa，冷却时压力为4MPa。
低压烧结炉兼容了脱蜡、真空烧结、低压烧结、低压处理、气氛烧结等多项功能。低压烧结的主要功能是减少硬质合金中的显微孔隙。烧结体内的孔隙在真空烧结阶段已经消除。加压阶段主要是消除显微孔隙。
所述硬质合金在生产锂电池极片分条刀中的应用。
本发明制得的硬质合金具有的有益效果：
1、本发明制得的硬质合金的密度为13.95～14.10g/cm3，矫顽磁力为420±20kA/m，洛氏硬度（HRA）可以达到92以上，抗弯强度可以达到4000N/mm2以上；比磁饱和为15～17.7，相对磁饱和为78～92%，硬质合金的晶粒度0.4～0.5μm，本发明的硬质合金能达到硬度和抗弯强度双高的效果。
2、本发明制得采用超细晶粒的WC为原料，并且加入TaC和Cr3C2作为晶粒抑制剂，WC原料越细，烧结时越容易出现不均匀长大，这是影响超细合金质量最致命的因素，由于加入的超细TaC和Cr3C2两种抑制剂的合理的比例取得了良好的抑制效果，使烧结过程中很好的抑制了WC晶粒的长大。
3、本发明制得的硬质合金耐磨性能好，使用寿命长，抗弯性能均能达到高水平，操作简单，优于现阶段生产锂电池极片分条刀所使用的高速钢刀具。
附图说明
图1是硬质合金制备流程图；
具体实施方式
本发明的硬质合金，按重量百分比由如下原料制备而成：Co:13.2～13.5%，Cr3C2:0.5～0.6%，TaC:0.3～0.5%，余量为WC；其中，WC的粒度为0.4～0.5μm。
进一步地，为了得到性能更好的硬质合金，优选所述的Co的粒度≤1.0μm，Cr3C2的粒度≤1.0μm，TaC的粒度≤1.0μm。
更进一步地，优选硬质合金按重量百分比由如下原料制备而成：Co:13.5%，Cr3C2:0.55%，TaC:0.5%，余量为WC；其中，WC的粒度为0.4～0.5μm。
其中，Cr3C2和TaC为晶粒抑制剂。
本发明硬质合金的制备方法，包括如下步骤：按重量比取各组分，混匀，真空干燥，掺蜡成型，均匀化破碎，过筛，压制，低压烧结得到硬质合金。其流程图如图1所示。
进一步地，优选上述的混匀方式为湿磨，湿磨介质为无水酒精，无水酒精与原料的液固比为350ml酒精/kg混合料，液固比为每千克硬质合金原料中加入无水酒精的体积。湿磨的目的是使物料充分混匀，并具有较好的压制和烧结性能。
进一步地，优选上述掺蜡成型为掺石蜡成型。
优选上述制备方法中压制的单位压制压力为0.5～1.0MPa。
所述的低压烧结包括如下步骤：将压制得到的半成品放入低压烧烧结炉内，烧结压力设置为4.5～5.5MPa，先在400～500℃时将半成品中的蜡脱净，后将烧结温度控制为1360～1400℃，保温保压一段时间，冷却，冷却时压力为3.5～4.5MPa，出炉得到硬质合金。
优选烧结温度为1380℃，烧结压力为5MPa，冷却时压力为4MPa。
低压烧结炉兼容了脱蜡、真空烧结、低压烧结、低压处理、气氛烧结等多项功能。低压烧结的主要功能是减少硬质合金中的显微孔隙。烧结体内的孔隙在真空烧结阶段已经消除。加压阶段主要是消除显微孔隙。
所述硬质合金在生产锂电池极片分条刀中的应用。
通过以下具体实施例，可以进一步了解本发明，但以下实施例并不是对发明的限定，而是由本发明的权利要求书和说明书限定。
实施例1  硬质合金的生产
取粒度为0.42μm的WC256.35kg、粒度为0.8μm的Co40.5kg、粒度为0.8μm的TaC1.5kg、粒度为0.8μm的Cr3C21.65kg粉末置于球磨机中，以无水酒精为研磨介质,液固比为350ml/kg,其中，液固比为每千克硬质合金原料中加入无水酒精的体积。湿磨混合48小时后用320目筛网卸料，卸料后送入真空干燥器中，加入石蜡成型剂边搅拌边干燥5小时，石蜡为进口石蜡，冷却后将料卸出，经均匀化破碎处理，均匀化破碎时使用的筛网目数为60目，将均匀化破碎后得到的粉末料进行压制。
将混合粉送入模具中，压制成初坯，压制压力为0.8MPa。将半成品送入低压烧结炉内，低压烧结炉的型号为ZYS39/35/130，压力设置为5MPa，在450℃时将半成品中的石蜡完全脱除干净，于1380℃下保温保压1小时后进行冷却，冷却时保持4MPa的压力，进行强制快速冷却，冷却到80℃以下出炉，得到硬质合金产品。
检测实施例1制得的硬质合金产品的物理机械性能，物理机械性能为：洛氏硬度为92.0（HRA)，抗弯强度为4300N/mm2，密度为14.05g/cm3，金相A02B00C00，WC晶粒度为0.4μm。
实施例2  硬质合金的生产
取粒度为0.50μm的WC256.35kg、粒度为0.8μm的Co40.5kg、粒度为0.8μm的TaC1.5kg、粒度为0.8μm的Cr3C21.65kg粉末置于球磨机中，以无水酒精为研磨介质,液固比为350ml/kg,其中，液固比为每千克硬质合金原料中加入无水酒精的体积。湿磨混合48小时后用320目筛网卸料，卸料后送入真空干燥器中，加入石蜡成型剂边搅拌边干燥5小时，石蜡为进口石蜡，冷却后将料卸出，经均匀化破碎处理，均匀化破碎时使用的筛网目数为60目，将均匀化破碎后得到的粉末料进行压制。
将混合粉送入模具中，压制成初坯，压制压力为0.9MPa。将半成品送入低压烧结炉内，压力设置为4.5MPa，在450℃时将半成品中的石蜡完全脱除干净，于1400℃下保温保压1小时后进行冷却，冷却时保持3.5MPa的压力，进行强制快速冷却，冷却到80℃以下出炉，得到硬质合金产品。
检测实施例2制得的硬质合金产品的物理机械性能，物理机械性能为：洛氏硬度为92.2（HRA)，抗弯强度为4300N/mm2，密度为14.03g/cm3，金相A02B00C00，WC晶粒度为0.45μm。
实施例3  硬质合金的生产
取粒度为0.45μm的WC257.55kg、粒度为0.8μm的Co40.05kg、粒度为0.9μm的TaC0.9kg、粒度为0.9μm的Cr3C21.5kg粉末置于球磨机中，以无水酒精为研磨介质,液固比为350ml/kg,其中，液固比为每千克硬质合金原料中加入无水酒精的体积。湿磨混合48小时后用320目筛网卸料，卸料后送入真空干燥器中，加入石蜡成型剂边搅拌边干燥5小时，石蜡为进口石蜡，冷却后将料卸出，经均匀化破碎处理，均匀化破碎时使用的筛网目数为60目，将均匀化破碎后得到的粉末料进行压制。
将混合粉送入模具中，压制成初坯，压制压力为0.9MPa。将半成品送入低压烧结炉内，压力设置为5.5MPa，在450℃时将半成品中的石蜡完全脱除干净，于1360℃下保温保压1小时后进行冷却，冷却时保持4.5MPa的压力，进行强制快速冷却，冷却到80℃以下出炉，得到硬质合金产品。
检测实施例2制得的硬质合金产品的物理机械性能，物理机械性能为：洛氏硬度为92.2（HRA)，抗弯强度为4000N/mm2，密度为14.05g/cm3，金相A02B00C00，WC晶粒度为0.4μm。
实施例4  硬质合金的生产
按照上述实施例1中的方法生产本发明硬质合金，其组分的配比见表1.
表1本发明硬质合金的组分配比
Figure BDA00003197692800051
试验例1  发明人针对本发明所做的对比实验
取粒度为0.30μm的WC256.35kg、粒度为0.8μm的Co40.5kg、粒度为0.9μm的TaC1.5kg、粒度为0.9μm的Cr3C21.65kg粉末置于球磨机中，以无水酒精为研磨介质,液固比为350ml/kg,其中，液固比为每千克硬质合金原料中加入无水酒精的体积。湿磨混合48小时后用320目筛网卸料，卸料后送入真空干燥器中，加入石蜡成型剂边搅拌边干燥5小时，石蜡为进口石蜡，冷却后将料卸出，经均匀化破碎处理，均匀化破碎时使用的筛网目数为60目，将均匀化破碎后得到的粉末料进行压制。
将混合粉送入模具中，压制成初坯。将半成品送入低压烧结炉内，压力设置为5MPa，在450℃时将半成品中的石蜡完全脱除干净，于1380℃下保温保压1小时后进行冷却，冷却时保持4MPa的压力，进行强制快速冷却，冷却到80℃以下出炉，得到硬质合金。
检测实施例4制得的硬质合金产品物理机械性能，物理机械性能为：洛氏硬度为92.5（HRA)，抗弯强度为2900N/mm2，密度为14.05g/cm3，金相A02B02C00，WC晶粒度为0.4μm,有较多粗晶，结论：用0.3μm的WC原料生产硬质合金，虽然可以得到很高的硬度，但是抗弯强度较低，不能适应在加工过程中产生的冲击力，这是由于WC粒度越细，在烧结时越容易出现晶粒的不均匀长大，从而影响产品的抗弯强度。
试验例2  发明人针对本发明所做的对比实验
取粒度为0.60μm的WC256.35kg、粒度为0.8μm的Co40.5kg、粒度为0.9μm的TaC1.5kg、粒度为0.9μm的Cr3C21.65kg粉末置于球磨机中，以无水酒精为研磨介质,液固比为350ml/kg,其中，液固比为每千克硬质合金原料中加入无水酒精的体积。湿磨混合48小时后用320目筛网卸料，卸料后送入真空干燥器中，加入石蜡成型剂边搅拌边干燥5小时，石蜡为进口石蜡，冷却后将料卸出，经均匀化破碎处理，均匀化破碎时使用的筛网目数为60目，将均匀化破碎后得到的粉末料进行压制。
将混合粉送入模具中，压制成初坯。将半成品送入低压烧结炉内，压力设置为5MPa，在450℃时将半成品中的石蜡完全脱除干净，于1380℃下保温保压1小时后进行冷却，冷却时保持4MPa的压力，进行强制快速冷却，冷却到80℃以下出炉，得到硬质合金。
检测实施例5制得的硬质合金产品的物理机械性能，物理机械性能为：洛氏硬度为91.6（HRA)，抗弯强度为3200N/mm2，密度为14.05g/cm3，金相A02B00C00，WC晶粒度为0.70μm,结论：用0.60μm的WC原料生产的硬质合金的抗弯强度较差，WC晶粒度为0.70μm，但是其耐磨性较差。
试验例3  发明人针对本发明所做的对比实验
取粒度为0.80μm的WC256.35kg、粒度为0.8μm的Co40.5kg、粒度为0.8μm的TaC1.5kg、粒度为0.8μm的Cr3C21.65kg粉末置于球磨机中，以无水酒精为研磨介质,液固比为350ml/kg,其中，液固比为每千克硬质合金原料中加入无水酒精的体积。湿磨混合48小时后用320目筛网卸料，卸料后送入真空干燥器中，加入石蜡成型剂边搅拌边干燥5小时，石蜡为进口石蜡，冷却后将料卸出，经均匀化破碎处理，均匀化破碎时使用的筛网目数为60目，将均匀化破碎后得到的粉末料进行压制。
将混合粉送入模具中，压制成初坯。将半成品送入低压烧结炉内，压力设置为5MPa，在450℃时将半成品中的石蜡完全脱除干净，于1380℃下保温保压1小时后进行冷却，冷却时保持4MPa的压力，进行强制快速冷却，冷却到80℃以下出炉，得到硬质合金。
检测实施例6制得的硬质合金产品的物理机械性能，物理机械性能为：洛氏硬度为90.8（HRA)，抗弯强度为3100N/mm2，密度为14.02g/cm3，金相A02B00C00，WC晶粒度为0.82μm,结论：用0.80μm的WC原料生产的硬质合金的抗弯强度和耐磨性都较差。
试验例4  硬质合金耐磨性实验
发明人针对本发明中实施例1、2、3、4、5、6和7得到的硬质合金进行耐磨性试验。
实验条件如下：
材料：上述实施例制得的硬质合金；
工件材料：锡青铜合金；
切削用量：切削速度v=80m/min；切削深度a=1.0mm；进给量f=0.66mm/r；
测量仪器：精密工具显微镜；
通过上述耐磨性实验研究，本发明实施例1、2、3和4制得的硬质合金的磨损值低于实施例5、6和7制得的硬质合金的磨损值，即本发明制得的硬质合金耐磨性优于对比试验制得的硬质合金的耐磨性。

Claims (9)

1.硬质合金，其特征在于：按重量百分比由如下原料制备而成：Co:13.2～13.5%，Cr3C2:0.5～0.6%，TaC:0.3～0.5%，余量为WC；其中，WC的粒度为0.4～0.5μm。
2.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于：所述的Co的粒度≤1.0μm，Cr3C2的粒度≤1.0μm，TaC的粒度≤1.0μm。
3.根据权利要求1或2所述的硬质合金，其特征在于：按重量百分比由如下原料制备而成：Co:13.5%，Cr3C2:0.55%，TaC:0.5%，余量为WC；其中，WC的粒度为0.4～0.5μm。
4.制备权利要求1～3任意一项所述的硬质合金的方法，其特征在于：包括如下步骤：按重量百分比取各组分，混匀，真空干燥，掺蜡成型，均匀化破碎，过筛，压制，低压烧结得到硬质合金。
5.根据权利要求4所述的硬质合金的制备方法，其特征在于：混匀的方式为湿磨。
6.根据权利要求4或5所述的硬质合金的制备方法，其特征在于：所述的低压烧结包括如下步骤：将压制得到的半成品放入低压烧烧结炉内，烧结压力设置为4.5～5.5MPa，先在400～500℃时将半成品中的蜡脱净，后将烧结温度控制为1360～1400℃，保温保压一段时间，冷却，冷却时压力为3.5～4.5MPa，出炉得到硬质合金。
7.根据权利要求4～6任意一项所述的硬质合金的制备方法，其特征在于：所述的烧结温度为1380℃，烧结压力为5MPa，冷却时压力为4MPa。
8.根据权利要求4～7任意一项所述的硬质合金的制备方法，其特征在于：所述掺蜡成型为掺石蜡成型。
9.权利要求1～8任意一项所述硬质合金在生产锂电池极片分条刀中的应用。
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