CN103276270B - 一种超细/纳米晶硬质合金粘结相及制备和应用 - Google Patents

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本发明涉及一种超细/纳米晶硬质合金粘结相及制备和应用；属于硬质合金制备技术领域。本发明所述的粘结相是由基体金属和晶粒长大抑制剂组成，晶粒长大抑制剂在基体金属中均匀分布；粘结相的粒度为0.2μm-10μm；所述均匀分布为分子级均匀分布；基体金属：晶粒长大抑制剂=92～99.5:0.5～8（质量比）。该粘结相是将晶粒长大抑制剂均匀溶解到粘结相基体金属熔液中，得到的。用该粘结相与WC硬质相经球磨混合、干燥、成型、脱胶、烧结，制得超细/纳米晶硬质合金产品。本发明解决了现有技术存在的工业规模化生产难度较大、成本高、WC晶粒异常长大的难题。

Description

一种超细/纳米晶硬质合金粘结相及制备和应用
技术领域
本发明涉及一种超细/纳米晶硬质合金粘结相及制备和应用；属于硬质合金制备技术领域。
背景技术
硬质合金至20世纪30年代以来，被广泛应用于矿石工具、切削刀具、医用材料、耐磨零件、微型钻头等设备。随着制造业的飞速发展,对硬质合金刀具材料要求其在高强度的同时拥有高硬度，即所谓的“双高合金”。研究表明，当碳化钨（WC）的晶粒尺寸减小到亚微米以下时,硬质合金材料的硬度和耐磨性、强度和韧性均获得了提高，因此超细甚至纳米晶硬质合金的开发成为了竞相研发的热点。
制备超细纳米晶硬质合金的必要条件为：1.有超细纳米原料（包括超细/纳米碳化钨粉末）；2.烧结过程中严格控制碳化钨晶粒的长大。为了严格控制碳化钨晶粒的长大，通常采用的方法包括（1）采用微波、放电等离子等手段进行快速烧结，但此类方法对设备要求极高，投资巨大，工业规模化生产难度较大、成本高；（2）在原料（碳化钨、钴粉）的球磨混料过程中加入晶粒长大抑制剂（VC、Cr2C3、TaC等），通过球磨混料使VC等晶粒长大抑制剂分散，在烧结的降温过程中碳化钨从粘结相中“溶解析出”，由于有VC等晶粒长大抑制剂的存在，使得WC晶粒的长大过程得到抑制。但由于晶粒长大抑制剂是以固体粉末的形式加入，在随后的球磨混料过程中进行固体与固体的混合分散，因此其分散效果较差，无法达到分子级别的混合，在个别区域晶粒长大抑制剂“贫乏”，导致这些区域的WC晶粒出现异常长大，异常长大的晶粒常常成为裂纹源、脆性源，将对整个硬质合金制品性能带来不利影响；同时晶粒长大抑制剂加入量过多时，又将导致合金力学性能的损失。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种超细/纳米晶硬质合金粘结相及制备和应用，解决了现有技术存在的工业规模化生产难度较大、成本高、WC晶粒异常长大的难题。
本发明所述的一种超细/纳米晶硬质合金粘结相，由基体金属与晶粒长大抑制剂组成，晶粒长大抑制剂在基体金属中均匀分布；粘结相的粒度为0.2μm-10μm；所述均匀分布为分子级均匀分布。
本发明所述的一种超细/纳米晶硬质合金粘结相中，基体金属选自金属钴、金属镍、镍钴合金中的一种；晶粒长大抑制剂选自碳化铬、碳化钒、碳化钽、碳化铌中的至少一种；基体金属与晶粒长大抑制剂的质量比为：
基体金属：晶粒长大抑制剂=92～99.5:0.5～8。
本发明所述的一种超细/纳米晶硬质合金粘结相的制备方法是：在保护气氛下，将晶粒长大抑制剂均匀溶解到基体金属熔液中，得到成分均匀的粘结相熔液；将成分均匀的粘结相熔液通过喷雾制粉、分级得到粘结相粉末；所述粘结相粉末的粒度为0.2-10μm，所述保护气氛选自氮气、氩气、氦气中的一种。
本发明所述的一种超细/纳米晶硬质合金粘结相的应用，是将粒度为0.2-10μm粘结相与粒度为0.08-0.3μm的WC硬质相经球磨混合、干燥、成型、脱胶、烧结后制得超细/纳米晶硬质合金产品。
本发明所述的一种超细/纳米晶硬质合金粘结相的应用，所述的超细/纳米晶硬质合金产品，可以再用化学气相沉积或物理气相沉积的工艺制造成涂层硬质合金。
原理和优势
本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：1.本发明提供了新的硬质合金晶粒长大抑制剂添加方法：即先将晶粒长大抑制剂（VC、Cr2C3、TaC、NbC等）溶解于粘结相基体金属（钴、镍或镍钴合金）熔液中，搅拌均匀后喷雾制粉，保证了合金粉末中晶粒长大抑制剂以分子级均匀分布在基体金属中，在随后硬质合金的烧结过程中，当碳化钨从基体金属中“溶解析出”时，确保“溶解析出”的碳化钨表面包裹有分子级均匀分布在基体金属中的晶粒长大抑制剂，使得碳化钨晶粒不会异常长大，这对超细/纳米晶硬质合金的制造具有重要意义；克服了现有技术中碳化钨从粘结相基体金属中“溶解析出”时存在个别区域晶粒长大抑制剂“贫乏”，导致这些区域的WC晶粒出现异常长大的缺陷。由于本发明可以使晶粒长大抑制剂在粘结基体金属中呈分子级均匀分布；因此能最大限度的发挥其晶粒长大抑制效果，减少晶粒长大抑制剂的使用量（根据实验结果，采用该方法添加0.15%晶粒长大抑制剂（硬质合金中）其晶粒长大抑制效果与传统的在硬质合金混料过程中添加0.5%时效果相当）。采用本发明所提供的粘结相制备的超细/纳米晶硬质合金，可以减少晶粒长大抑制剂的用量、避免碳化钨晶粒异常长大，所制备的硬质合金中碳化钨晶粒度小，合金强度高，产品性能一致性好。本发明生产工艺流程简单，所用设备均为常用设备，生产成本低，便于实现工业化生产和应用，具有广阔的市场前景。
附图说明
附图1为实施例2所制备的超细晶硬质合金放大12000倍的扫描电镜照片；
附图2为对比例所制备的超细晶硬质合金放大10000倍的扫描电镜照片；
从图1可以看出用本发明方法制备的硬质合金晶粒大小均匀，从图2可以看出常规方法制备的硬质合金有异常长大的晶粒，图中白色圆形区域为典型的异常长大的晶粒，对比图1与图2可以得出采用本发明所述的溶解有晶粒长大抑制剂的粘结相能够防止晶粒的异常长大，从而制造出晶粒大小均匀的硬质合金产品。
具体实施方式
实施例1
将Ni-Co合金粉与Cr2C3粉末质量比97.56:2.44的比例混合后加入真空感应炉，在1550℃下将其熔化，搅拌均匀，并保温20min，采用高压惰性气体（氩气等）将熔体从喷嘴中喷出形成雾状，收集粉末并分级，得到粒度1μm左右2.44%Cr2C3Ni-Co合金。将制备的2.44%Cr2C3Ni-Co合金粉与平均粒度0.3μm碳化钨粉通过硬质合金传统工艺：混料-干燥-成型-脱胶-烧结最终制备超细晶硬质合金（WC-3%Co-3%Ni-0.15%Cr2C3）。本实例产品的力学性能见表1。
实施例2
将钴粉与VC粉末按质量比92:8的比例混合后加入真空感应炉，在1550℃下将其熔化，搅拌均匀，并保温20min，采用高压惰性气体（氩气等）将熔体从喷嘴中喷出形成雾状，收集粉末并分级，得到粒度0.3μm左右8%VC的钴合金粉。将制备的8%VC钴合金粉与平均粒度0.08μm碳化钨粉通过硬质合金传统工艺：混料-干燥-成型-脱胶-烧结最终制备纳米晶硬质合金（WC-6%Co）。本实例产品的力学性能见表1，图1为本实施例制备的超细晶硬质合金扫描电镜照片。
实施例3
将镍粉与Cr2C3、TaC、NbC质量比98.2:1:0.5:0.3的比例混合后加入真空感应炉，在1550℃下将其熔化，搅拌均匀，并保温20min，采用高压惰性气体（氩气等）将熔体从喷嘴中喷出形成雾状，收集粉末并分级，得到粒度8μm左右1%Cr2C30.5%TaC0.3％NbC的镍合金粉。将制备的1%Cr2C30.5%TaC0.3％NbC的镍合金粉与平均粒度0.2μm碳化钨粉通过硬质合金传统工艺：混料-干燥-成型-脱胶-烧结最终制备超细晶硬质合金（WC-6%Ni）。本实例产品的力学性能见表1。
对比例
将平均粒度0.08μm碳化钨粉、1.0μm的钴粉、1.0μmVC按比例93.5：6：0.5进行球磨混料-干燥-成型-脱胶-烧结最终制备超细晶硬质合金（WC-6%Co）。产品的力学性能见表1。图2为本对比例制备的超细晶硬质合金扫描电镜照片。
表1
综上所述：采用本发明专利技术制备的超细晶硬质合金晶粒均匀大小较为均匀，无异常长大现象，而且力学性能优良。

Claims (3)

1.一种超细/纳米晶硬质合金粘结相，其特征在于：所述粘结相由基体金属与晶粒长大抑制剂组成，晶粒长大抑制剂在基体金属中均匀分布；粘结相的粒度为0.2μm-10μm；所述均匀分布为分子级均匀分布；
所述基体金属选自金属钴、金属镍、镍钴合金中的一种；所述晶粒长大抑制剂选自碳化铬、碳化钒、碳化钽、碳化铌中的至少一种；
基体金属与晶粒长大抑制剂的质量比为：
基体金属：晶粒长大抑制剂＝92～99.5:0.5～8；
所述超细/纳米晶硬质合金粘结相的制备方法为：
在保护气氛下，将晶粒长大抑制剂均匀溶解到基体金属熔液中，得到成分均匀的粘结相熔液；将成分均匀的粘结相熔液通过喷雾制粉、分级得到粘结相粉末。
2.一种如权利要求1所述一种超细/纳米晶硬质合金粘结相的应用，其特征在于：所述应用是将粘结相与WC硬质相经球磨混合、干燥、成型、脱胶、烧结，制得的超细/纳米晶硬质合金产品，粘结相的粒度为0.2μm-10μm。
3.根据权利要求2所述的一种超细/纳米晶硬质合金粘结相的应用，其特征在于：所述的超细/纳米晶硬质合金产品，通过化学气相沉积或物理气相沉积的工艺制造成涂层硬质合金。
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