CN103789595B - 一种具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金的工业化制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金的工业化制备方法，属于硬质合金技术领域。以钨氧化物、钴氧化物和炭黑为原料，首先利用原位反应合成方法制备出WC-12Co复合粉，对应硬质合金块体材料的相对磁饱和值83%～85%；对晶粒长大抑制剂进行球磨预处理，再与原位合成的复合粉进行球磨混合，经压制成型和低压烧结制备硬质合金块体材料。通过优化设计添加的晶粒长大抑制剂的种类、含量和粒径等，制备获得具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金块体材料。本发明的整条制备路线可用于批量生产具有超高强度的WC-12Co硬质合金，对高性能硬质合金的科学研究和工业生产均具有重要的实用价值。

Description

一种具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金的工业化制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金的工业化制备方法，属于硬质合金技术领域。

背景技术

WC-Co硬质合金因其高的硬度和耐磨性在切削工具、模具、矿山工具及耐磨零部件等领域获得了广泛应用。近年来，伴随材料的更新换代，硬质合金工模具的加工对象由一般性材料转为难加工的高硬、高强合金，例如碳素钢被特殊高强钢所取代，铸铁被优质铸造合金所取代，等等；同时，当前高新技术领域大量需求具有优异综合性能的硬质合金工模具，特别是航空航天、微电子、微雕刻等高端工业应用领域，急迫需求生产微钻、圆盘切刀、高速切削刀片、微型工模具等具有优异抗崩刃性的特殊硬质合金材料。

现有工艺方法因为难以突破碳含量精确控制和抑制剂添加种类、粒度、含量等最佳组合等科学和技术瓶颈问题，目前很难制备得到抗弯强度超过4500MPa的具有超高强度的硬质合金块体材料。因此，生产具有高抗弯强度、即具有优异抗崩刃性的特殊硬质合金材料，是当前国际硬质合金领域的研发热点和技术难题。

发明内容

本发明即是针对目前硬质合金块体材料的抗弯强度难以超过4500MPa的研发领域现状，提供一种具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金的工业化制备方法。其工艺流程和原理是：以钨氧化物、钴氧化物和炭黑为原料，首先根据拟制备硬质合金的相对磁饱和值对原料粉末中的碳量进行精确调控，利用原位反应合成方法制备出WC-12Co复合粉；然后，对晶粒长大抑制剂进行球磨预处理，再与原位合成的复合粉进行球磨混合，经压制成型和低压烧结制备硬质合金块体材料。通过设计添加的晶粒长大抑制剂的种类、含量和粒径等，并通过开发适合复合粉末的压制成型工艺，制备获得具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金块体材料。本发明的整条制备路线可用于批量生产具有超高强度的WC-12Co硬质合金，对高性能硬质合金的科学研究和工业生产均具有重要的实用价值。

本发明提供的具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金的工业化制备方法，包括以下步骤：

（1）以WO_2.9、Co₃O₄和炭黑为原料，根据硬质合金的成分与相对磁饱和值之间的关系对原料粉末中的碳含量进行调控，使得制备出的硬质合金块体材料的相对磁饱和值在83%～85%，将上述三种原料粉末进行球磨混合，混合后粉末冷压成坯块送入真空炉中，通过真空原位反应合成WC-12Co复合粉；

（2）对微米级粒径的Cr₃C₂粉末进行球磨预处理，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为3:1～5:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨时间为80～100小时；

（3）将步骤（2）中预处理后的Cr₃C₂粉末或粒径为1.0～2.0微米的VC粉末与步骤（1）制备的WC-12Co复合粉末进行球磨混合，其中Cr₃C₂粉末的添加量为0.6～0.9wt.%，VC粉末的添加量为0.3～0.5wt.%，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为3:1～5:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨机转速为100～300r/min，球磨时间为20～30小时，烘干后得到WC、Co和Cr₃C₂混合粉末或WC、Co和VC混合粉末；

（4）在步骤（3）得到的混合粉末中掺入成型剂，将成型剂与混合粉末球磨混合后模压成型，成型剂加入量为每千克混合粉末中掺入80～100ml聚乙二醇和5～25ml扩散油，球磨混合时的球料质量比为1:1，球磨机转速为20～50r/min；

（5）将模压成型的粉末坯料进行低压烧结，制备得到具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金块体材料。

本发明根据拟制备的硬质合金块体材料的相对磁饱和值精确调控原料粉末中炭黑的添加量，配合优化设计添加晶粒长大抑制剂的种类、含量和粒径，提供了一条完整的制备超高强度的硬质合金材料的技术路线，与现有的其它方法相比，本发明具有如下本质性特点和优势：

（1）在制备WC-12Co复合粉的过程中，本发明完全改变了已有方法中依靠控制总碳量、游离碳含量等来提高最终制备的硬质合金块体材料性能的思路，而是根据大量研究工作探索出来的硬质合金的相对磁饱和值与其碳含量之间的关系，即：对应WC-12Co硬质合金，不出现缺碳相和游离碳的相对磁饱和值的最佳范围为83%-85%，对原料粉末中的炭黑添加量进行精确调控。此方法具有突出的针对性，成分控制的精度高，工艺可重复性、稳定性强，可以有效降低不合理碳含量对制备的硬质合金抗弯强度的影响。

（2）在WC-12Co复合粉中添加晶粒长大抑制剂方面，本发明的本质特点是使用经过球磨预处理的Cr₃C₂粉末或不经预处理的粒径为1.0-2.0微米的VC粉末作为晶粒长大抑制剂，其科学原理是：经过球磨预处理后的Cr₃C₂粉末，粒径细化到纳米－亚微米的范围内，同时，Cr₃C₂粉末的活性明显增强。由此，添加到WC-12Co复合粉后在烧结过程中，一方面抑制晶界迁移起到控制晶粒长大的作用；另一方面，可增大Cr、W原子在Co中的溶解度，对粘结相Co起到固溶强化的作用，从而提高粘结相的强度。通过以上两方面的作用，显著提高烧结后制备的硬质合金块体材料的抗弯强度。已有方法中，有的添加商业化的纳米级Cr₃C₂粉末，其存在的问题是，商业化的纳米级Cr₃C₂粉末是采用化学方法制备获得，粉末表面附有氧化膜或钝化剂等，这些杂质在烧结过程中很难去除而恶化制备的硬质合金块体材料的力学性能，尤其会降低抗弯强度。在WC-12Co复合粉末中添加VC颗粒是为了降低WC的表面活性，进而降低WC晶粒之间合并长大的趋势。然而，VC的负面作用是在烧结过程中减弱粘结相Co对WC的润湿性，易于造成WC和Co在组织中分布不均匀，最终降低制备的硬质合金块体材料的抗弯强度，这种负面作用随着VC颗粒的粒径细化而变得严重，因此，本发明经过系统的实验研究，确定粒径为1.0－2.0微米的VC颗粒具有最佳的控制晶粒长大作用，同时负面作用最小。

（3）本发明在模压成型的步骤中其本质性特点是，掺入成型剂的过程中加入了少量扩散油作为成型剂的组成部分，一方面起到稀释高粘度聚乙二醇的作用，使得成型剂与粉末混合均匀，避免成型剂发生局部偏聚，从而保证烧结后硬质合金块体材料组织均匀、力学性能提高，尤其是减少微裂纹形核和扩展的几率，使得硬质合金块体材料具有高的抗弯强度；另一方面作为润滑剂，降低粉末颗粒表面的摩擦系数，使得成型后压坯更为致密，从而在烧结后得到高强度的硬质合金块体材料。

附图说明

图1本发明实施例1制备得到的WC-12Co复合粉形貌。

图2本发明实施例1制备得到的WC-12Co硬质合金块体材料的显微形貌。

图3本发明实施例3制备得到的WC-12Co硬质合金块体材料的显微形貌。

具体实施方式

以下实施例进一步解释了本发明，但本发明并不限于以下实施例。以下实施例中制备的硬质合金块体材料的抗弯强度测试条件符合《GB3851-83》标准。

实施例1

以WO_2.9、Co₃O₄和炭黑为原料，根据硬质合金的成分与相对磁饱和值之间的关系对原料粉末中的碳含量进行调控，使得制备出的硬质合金块体材料的相对磁饱和值在83%，将上述三种原料粉末进行球磨混合，混合后粉末冷压成坯块送入真空炉中，在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-12Co复合粉：升温速率4℃/min，反应温度950℃，保温时间3小时；

对微米级粒径的Cr₃C₂粉末进行球磨预处理，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为3:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨时间为100小时；

将预处理后的Cr₃C₂粉末与制备的WC-12Co复合粉末进行球磨混合，其中Cr₃C₂粉末的添加量为0.6wt.%，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为3:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨机转速为300r/min，球磨时间为20小时，烘干后得到WC、Co和Cr₃C₂混合粉末；

在得到的混合粉末中掺入成型剂，将成型剂与混合粉末球磨混合后模压成型，成型剂加入量为每千克混合粉末中掺入80ml聚乙二醇和25ml扩散油，球磨混合时的球料质量比为1:1，球磨机转速为50r/min；

将模压成型的粉末坯料进行低压烧结，烧结工艺参数为：升温至350℃，保温60分钟；然后升温至900℃，保温60分钟；再升温至1250℃，保温30分钟；随后升温至1390℃，保温30分钟后，充入8MPa氩气，保温保压40分钟；最后随炉冷却至室温。制备得到具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金块体材料，其显微组织形貌见图2，其性能参数见表1。

实施例2

以WO_2.9、Co₃O₄和炭黑为原料，根据硬质合金的成分与相对磁饱和值之间的关系对原料粉末中的碳含量进行调控，使得制备出的硬质合金块体材料的相对磁饱和值在85%，将上述三种原料粉末进行球磨混合，混合后粉末冷压成坯块送入真空炉中，在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-12Co复合粉：升温速率10℃/min，反应温度1100℃，保温时间2小时；

对微米级粒径的Cr₃C₂粉末进行球磨预处理，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为5:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨时间为80小时；

将预处理后的Cr₃C₂粉末与制备的WC-12Co复合粉末进行球磨混合，其中Cr₃C₂粉末的添加量为0.9wt.%，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为5:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨机转速为100r/min，球磨时间为30小时，烘干后得到WC、Co和Cr₃C₂混合粉末；

在得到的混合粉末中掺入成型剂，将成型剂与混合粉末球磨混合后模压成型，成型剂加入量为每千克混合粉末中掺入100ml聚乙二醇和5ml扩散油，球磨混合时的球料质量比为3:1，球磨机转速为20r/min；

将模压成型的粉末坯料进行低压烧结，烧结工艺参数为：升温至350℃，保温60分钟；然后升温至900℃，保温60分钟；再升温至1250℃，保温30分钟；随后升温至1390℃，保温30分钟后，充入8MPa氩气，保温保压40分钟；最后随炉冷却至室温。制备得到具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金块体材料，其性能参数见表1。

实施例3

以WO_2.9、Co₃O₄和炭黑为原料，根据硬质合金的成分与相对磁饱和值之间的关系对原料粉末中的碳含量进行调控，使得制备出的硬质合金块体材料的相对磁饱和值在84%，将上述三种原料粉末进行球磨混合，混合后粉末冷压成坯块送入真空炉中，在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-12Co复合粉：升温速率7℃/min，反应温度1050℃，保温时间3小时；

将粒径为1.0～2.0微米的VC粉末与制备的WC-12Co复合粉末进行球磨混合，其中VC粉末的添加量为0.3wt.%，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为4:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨机转速为200r/min，球磨时间为25小时，烘干后得到WC、Co和VC混合粉末；

在得到的混合粉末中掺入成型剂，将成型剂与混合粉末球磨混合后模压成型，成型剂加入量为每千克混合粉末中掺入85ml聚乙二醇和20ml扩散油，球磨混合时的球料质量比为2:1，球磨机转速为30r/min；

将模压成型的粉末坯料进行低压烧结，烧结工艺参数为：升温至350℃，保温60分钟；然后升温至900℃，保温60分钟；再升温至1250℃，保温30分钟；随后升温至1390℃，保温30分钟后，充入8MPa氩气，保温保压40分钟；最后随炉冷却至室温。制备得到具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金块体材料，其显微组织形貌见图3，其性能参数见表1。

实施例4

以WO_2.9、Co₃O₄和炭黑为原料，根据硬质合金的成分与相对磁饱和值之间的关系对原料粉末中的碳含量进行调控，使得制备出的硬质合金块体材料的相对磁饱和值在85%，将上述三种原料粉末进行球磨混合，混合后粉末冷压成坯块送入真空炉中，在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-12Co复合粉：升温速率10℃/min，反应温度1050℃，保温时间2小时；

将粒径为1.0～2.0微米的VC粉末与制备的WC-12Co复合粉末进行球磨混合，其中VC粉末的添加量为0.5wt.%，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为5:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨机转速为200r/min，球磨时间为20小时，烘干后得到WC、Co和VC混合粉末；

在得到的混合粉末中掺入成型剂，将成型剂与混合粉末球磨混合后模压成型，成型剂加入量为每千克混合粉末中掺入95ml聚乙二醇和10ml扩散油，球磨混合时的球料质量比为1:1，球磨机转速为20r/min；

将模压成型的粉末坯料进行低压烧结，烧结工艺参数为：升温至350℃，保温60分钟；然后升温至900℃，保温60分钟；再升温至1250℃，保温30分钟；随后升温至1390℃，保温30分钟后，充入8MPa氩气，保温保压40分钟；最后随炉冷却至室温。制备得到具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金块体材料，其性能参数见表1。

对比例1：

将未经过预处理的Cr₃C₂粉末与制备的WC-12Co复合粉末进行混合，其他工艺同实施例1，制备得到的硬质合金块体材料的性能参数见表2。

对比例2：

将粒径为纳米级的VC粉末与制备的WC-12Co复合粉末进行混合，其他工艺同实施例3，制备得到的硬质合金块体材料的性能参数见表2。

表1不同实施例制备的具有超高强度的WC-12Co硬质合金的性能参数

表2对比例制备的WC-12Co硬质合金的性能参数

Claims (1)

1.具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金的工业化制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）以WO_2.9、Co₃O₄和炭黑为原料，根据硬质合金的成分与相对磁饱和值之间的关系对原料粉末中的碳含量进行调控，使得制备出的硬质合金块体材料的相对磁饱和值在83%～85%，将上述三种原料粉末进行球磨混合，混合后粉末冷压成坯块送入真空炉中，通过真空原位反应合成WC-12Co复合粉；

（2）对微米级粒径的Cr₃C₂粉末进行球磨预处理，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为3:1～5:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨时间为80～100小时；

（3）将步骤（2）中预处理后的Cr₃C₂粉末或粒径为1.0～2.0微米的VC粉末与步骤（1）制备的WC-12Co复合粉末进行球磨混合，其中Cr₃C₂粉末的添加量为0.6～0.9wt.%，VC粉末的添加量为0.3～0.5wt.%，以无水乙醇为研磨介质，磨球与粉末质量比为3:1～5:1，研磨介质与物料体积比为1:1，球磨机转速为100～300r/min，球磨时间为20～30小时，烘干后得到WC、Co和Cr₃C₂混合粉末或WC、Co和VC混合粉末；

（4）在步骤（3）得到的混合粉末中掺入成型剂，将成型剂与混合粉末球磨混合后模压成型，成型剂加入量为每千克混合粉末中掺入80～100ml聚乙二醇和5～25ml扩散油，球磨混合时的球料质量比为1:1，球磨机转速为20～50r/min；

（5）将模压成型的粉末坯料进行低压烧结，制备得到具有超高抗弯强度的WC-12Co硬质合金块体材料。