CN103924145A

CN103924145A - 一种无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法

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Publication number: CN103924145A
Application number: CN201410179582.4A
Authority: CN
Inventors: 张军
Original assignee: XI'AN AONAITE SOLID LUBRICATION ENGINEERING RESEARCH Co Ltd
Current assignee: XI'AN AONAITE SOLID LUBRICATION ENGINEERING RESEARCH Co Ltd
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN103924145B

Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，具体提供了一种无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法，该无粘结相碳化钨硬质合金，各组分及其质量百分比含量如下：0.10%～0.30%碳化钒，0.10%～0.30%碳化钽，0.10%～0.25%钴，余量为碳化钨。本发明通过等离子活化烧结工艺获得高致密、高硬度和高耐磨的碳化钨硬质合金，以特殊的模具形状获得大尺寸块体材料，该工艺简单、成本低廉和可批量化生产，满足水刀混沙管对高耐磨材料的要求。

Description

一种无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法，可以用于制造水刀混沙管。

背景技术

切割行业中的加砂水刀是一个磨料水射流系统，可以切、铣、钻、磨任何工程材料，但是工作时，由于磨料、高压水和空气同时射流冲刷。高压水带着石榴沙甚至是刚玉沙，以3马赫的速度从混沙管喷出，这导致混沙管磨损严重。混沙管的高成本，限制了加砂水刀更快地大面积工业化应用。水刀混沙管是水切割的最关键部分，要达成良好的切割效果，需要从混沙管里喷射出的高速水沙流聚中不发散。这样就要求水刀混沙管的内孔具有高同心度、高光洁度和高耐磨性，而这也就决定了其材质和工艺的高标准性。

超细晶无粘结剂纯碳化钨硬质合金是一种高质量的砂管材质，而无粘结剂硬质合金是指不含或含很少量(含量小于0.5wt%)金属粘结剂的一种硬质合金产品，具有传统硬质合金无可比拟的优异的耐磨性、极佳的抛光性。但是，传统的硬质合金（金属粘结相钴含量较高）制备工艺无法制备出符合材质性能要求的水刀混沙管。

水刀混沙管的生产制造，我国还远远落后于西方国家，国内甚至还没有合格的生产厂家，在这一产业上中国仍依赖于进口，在全球市场上的主要两个品牌：美国肯纳金属公司的罗泰克ROCTEC混沙管和美国International Waterjet Part公司的IWP混沙管。上海交通大学黄斌等人在专利CN 200410068022《无粘结相超细纯碳化钨的烧结方法》中报道了此类材料的制备技术，但远不能满足水刀混沙管对材料致密度、硬度和耐磨性的要求，尤其是对尺寸的要求，文献报道的国内研究机构制备的无粘结剂纯碳化钨硬质合金最大尺寸不超过30毫米，而水刀混沙管的基本长度为76毫米。水切割行业核心零件混沙管的国产化，促进水切割行业的发展，其核心技术是开发出能够制备出能够满足水刀混沙管对材质的要求的高性能无粘结剂硬质合金大尺寸块体材料。

发明内容

本发明的目的是克服现有的硬质合金及其制备工艺不能制备出符合材质性能要求的水刀混沙管的问题，提供一种无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法。

为此，本发明提供了一种无粘结相碳化钨硬质合金，各组分及其质量百分比含量如下：0.10%～0.30%碳化钒，0.10%～0.30%碳化钽，0.10%～0.25%钴，余量为碳化钨。

上述碳化钨、碳化钒、碳化钽、钴均为粉末状，其中碳化钨粉末粒度为100纳米～300纳米，纯度不低于99.8%；碳化钒粉末和碳化钽粉末的粒度不大于碳化钨粉末的粒度，钴粉末粒度不大于2微米，纯度不低于99%。

上述碳化钒粉末、碳化钽粉末和钴粉末三者质量百分比含量之和不大于0.5%。

上述碳化钒粉末、碳化钽粉末、钴粉末和碳化钨粉末四者原料中总碳质量百分比含量为6.12%～6.22%，游离碳质量百分比含量≤0.08%。

本发明还提供了一种无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，该方法包括如下步骤：

1）将碳化钨粉末与碳化钒粉末、碳化钽粉末和金属钴粉末在氮气保护的三维混料罐中混合，混合时间为5～14小时；

2）将步骤1）中混合好的原料装入石墨模具中，石墨模具和原料之间用石墨纸隔开；

3）将步骤2）中装有原料的石墨模具置于等离子活化烧结炉中进行活化烧结，冷却后即得块体无粘结相碳化钨硬质合金材料。

上述步骤2)中的石墨模具的抗压强度不低于120MPa。

上述步骤2)中的石墨模具内腔体为带圆角的矩形，外圆形状为由四段圆弧组成的近似椭圆。

上述步骤2)中的石墨纸的厚度为0.25mm～0.40mm。

上述步骤3)中等离子活化烧结炉内压力为5MPa～55MPa，升温速度为50℃/min～250℃/min，烧结温度为1320℃～1750℃，保温时间为0～10min，高频脉冲直流电脉冲比为12:2～12:10，电流为3000A～9500A，电压小于10V。

本发明的有益效果是克服上述无粘结相硬质合金现有技术的不足，提供一种高致密、高硬度、高耐磨和大尺寸的无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法，以放电等离子烧结技术和特殊的模具设计实现高致密、高硬度、高耐磨和大尺寸的无粘结相碳化钨硬质合金块体材料的制备，该制备工艺简单、成本低廉和可批量化生产，且制备出的块体材料最大尺寸可达80mm，从而满足水刀混沙管对高耐磨材料的要求。

具体实施方式

实施例1：

为了克服现有的硬质合金不能满足水刀混沙管的高致密、高硬度、高耐磨的要求，本发明提供了一种无粘结相碳化钨硬质合金，各组分及质量百分比含量如下：0.10%～0.30%碳化钒，0.10%～0.30%碳化钽，0.10%～0.25%钴，余量为碳化钨。

其中，碳化钨、碳化钒、碳化钽、钴均为粉末状，碳化钨粉末粒度为100纳米～300纳米，纯度不低于99.8%；碳化钒和碳化钽的粒度不大于碳化钨的粒度，钴粉末粒度不大于2微米，纯度不低于99%；而且碳化钒粉末、碳化钽粉末和钴粉末三者质量百分比含量之和不大于0.5%；同时碳化钒粉末、碳化钽粉末、钴粉末和碳化钨粉末四个组分总碳质量百分比含量为6.12%～6.22%，游离碳质量百分比含量≤0.08%。

另外，本发明还提供了一种无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，该方法包括如下步骤：

而其中石墨模具的抗压强度不低于120MPa，其内腔体为带圆角的矩形，外圆形状为由四段圆弧组成的近似椭圆；为了防止碳化钨与石墨模具在高温下发生反应而粘连，石墨纸的厚度为0.25mm～0.40mm。

该制备工艺中所采用的等离子活化烧结炉内的工艺参数是压力为5MPa～55MPa，升温速度为50℃/min～250℃/min，烧结温度为1320℃～1750℃，保温时间为0～10min，高频脉冲直流电脉冲比为12:2～12:10，电流为3000A～9500A，电压小于10V。

本发明采用粒度纳米级的纯碳化钨粉末，并加入微量的碳化钨晶粒抑制剂碳化钒（VC）和碳化钽（TaC）以及微量粘结相金属钴，碳化钒、碳化钽和钴质量百分比含量总和不超过0.5%，并且对碳化钨粉末中碳含量精确配置；以放电等离子烧结技术和特殊的模具设计实现高致密、高硬度、高耐磨和大尺寸的无粘结相碳化钨硬质合金块体材料的制备。

实施例2：

在实施例1的基础上，提供一种具体的无粘结相碳化钨硬质合金制备工艺。

1)以质量百分配比为0.15%碳化钒、0.1%碳化钽、0.15%金属钴和99.6%碳化钨在氮气保护的三维混料罐中混合6小时，其中碳化钨、碳化钒和碳化钽粒度为300纳米，金属钴粒度为1微米；上述原料中碳化物的纯度均为99.8%，金属钴的纯度为99.5%。

2)将混合好的原料装入石墨模具中，置于等离子活化烧结炉中，石墨内腔形状为矩形，尺寸为22mm×81mm(带圆角R5mm)，石墨材质抗压强度为125MPa，隔离石墨纸厚度为0.30mm。

3)等离子活化烧结工艺为：升温速度120℃/min，烧结压力25MPa，烧结温度1680℃，保温时间5分钟，随炉冷却。

将本实施例制备出的无粘结相碳化钨硬质合金经过简单打磨表面碳化层厚，获得的无粘结相碳化钨硬质合金，外形截面尺寸为21.5mm x 80mm(带R5圆角)，致密度为99.1%，洛氏硬度为95.5±0.4HRA，断裂韧性为10.2±0.8MPa 。

实施例3：

1）以质量百分配比为0.1%碳化钒、0.2%碳化钽、0.10%金属钴和99.6%碳化钨在氮气保护的三维混料罐中混合9小时，其中碳化钨、碳化钒和碳化钽粒度为200纳米，金属钴粒度为1微米；上述原料中碳化物的纯度均为99.8%，金属钴的纯度为99.5%。

2）将混合好的原料装入石墨模具中，置于等离子活化烧结炉中，石墨内腔形状为矩形，尺寸为29mm×81mm(带圆角R5mm)，石墨材质抗压强度为125MPa，隔离石墨纸厚度为0.30mm。

3）等离子活化烧结工艺为：升温速度90℃/min，烧结压力30MPa，烧结温度1720℃，保温时间8分钟，随炉冷却。

将本实施例制备出的无粘结相碳化钨硬质合金经过简单打磨表面碳化层厚，获得的无粘结相碳化钨硬质合金，外形截面尺寸为28mm x 80mm(带R5圆角)，致密度为99.0%，洛氏硬度为95.6±0.6HRA，断裂韧性为11.3±1.2MPa。

实施例4：

1）以质量百分配比为0.3%碳化钒、0.1%碳化钽、0.1%金属钴和99.5%碳化钨在氮气保护的三维混料罐中混合10小时。其中碳化钨、碳化钒和碳化钽粒度为200纳米，金属钴粒度为1微米；上述原料中碳化物的纯度均为99.8%，金属钴的纯度为99.5%。

3）等离子活化烧结工艺为：升温速度200℃/min，烧结压力40MPa，烧结温度1620℃，保温时间10分钟，随炉冷却。

将本实施例制备出的无粘结相碳化钨硬质合金经过简单打磨表面碳化层厚，获得的无粘结相碳化钨硬质合金，外形截面尺寸为28mm x 80mm(带R5mm圆角)，致密度为99.0%，洛氏硬度为95.4±0.4HRA，断裂韧性为10.3±0.6MPa。

实施例5：

1）以质量百分配比为0.1%碳化钒、0.3%碳化钽、0.1%金属钴和99.5%碳化钨在氮气保护的三维混料罐中混合10小时。其中碳化钨、碳化钒和碳化钽粒度为150纳米，金属钴粒度为1微米；上述原料中碳化物的纯度均为99.8%，金属钴的纯度为99.5%。

2）将混合好的原料装入石墨模具中，置于等离子活化烧结炉中，石墨内腔形状为矩形，尺寸为22mm×81mm(带圆角R5mm)，石墨材质抗压强度为125MPa，隔离石墨纸厚度为0.30mm。

3）等离子活化烧结工艺为：升温速度200℃/min，烧结压力40MPa，烧结温度1620℃，保温时间8分钟，随炉冷却。

将本实施例制备出的无粘结相碳化钨硬质合金经过简单打磨表面碳化层厚，获得的无粘结相碳化钨硬质合金，外形截面尺寸为21.5mm x 80mm(带R5mm圆角)，致密度为98.8%，洛氏硬度为95.2±0.4HRA，断裂韧性为10.5±0.4MPa。

实施例6：

1）以质量百分配比为0.1%碳化钒、0.1%碳化钽、0.25%金属钴和99.55%碳化钨在氮气保护的三维混料罐中混合8小时。其中碳化钨、碳化钒和碳化钽粒度为200纳米，金属钴粒度为1微米；上述原料中碳化物的纯度均为99.8%，金属钴的纯度为99.5%。

3）等离子活化烧结工艺为：升温速度200℃/min，烧结压力45MPa，烧结温度1500℃，保温时间8分钟，随炉冷却。

将本实施例制备出的无粘结相碳化钨硬质合金经过简单打磨表面碳化层厚，获得的无粘结相碳化钨硬质合金，外形截面尺寸为28mm x 80mm(带R5mm圆角)，致密度为99.0%，洛氏硬度为95.0±0.4HRA，断裂韧性为12.3±0.8MPa。

综上所述，本发明提供的无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法，能制备出了一种高致密、高硬度、高耐磨和大尺寸的无粘结相碳化钨硬质合金，满足了水刀混沙管对高耐磨材料的要求。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无粘结相碳化钨硬质合金，其特征在于：各组分及其质量百分比含量如下：0.10%～0.30%碳化钒，0.10%～0.30%碳化钽，0.10%～0.25%钴，余量为碳化钨。

2.如权利要求1所述的无粘结相碳化钨硬质合金，其特征在于：所述碳化钨、碳化钒、碳化钽、钴均为粉末状，其中碳化钨粉末粒度为100纳米～300纳米，纯度不低于99.8%；碳化钒粉末和碳化钽粉末的粒度不大于碳化钨粉末的粒度，钴粉末粒度不大于2微米，纯度不低于99%。

3.如权利要求1或2所述的无粘结相碳化钨硬质合金，其特征在于：所述碳化钒粉末、碳化钽粉末和钴粉末三者质量百分比含量之和不大于0.5%。

4.如权利要求1所述的无粘结相碳化钨硬质合金，其特征在于：所述碳化钒粉末、碳化钽粉末、钴粉末和碳化钨粉末四者原料中总碳质量百分比含量为6.12%～6.22%，游离碳质量百分比含量≤0.08%。

5.一种无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的石墨模具的抗压强度不低于120MPa。

7.如权利要求5所述的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的石墨模具内腔体为带圆角的矩形，外圆形状为由四段圆弧组成的近似椭圆。

8.如权利要求5所述的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的石墨纸的厚度为0.25mm～0.40mm。

9.如权利要求5所述的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中等离子活化烧结炉内压力为5MPa～55MPa，升温速度为50℃/min～250℃/min，烧结温度为1320℃～1750℃，保温时间为0～10min，高频脉冲直流电脉冲比为12:2～12:10，电流为3000A～9500A，电压小于10V。

10.如权利要求5至9任意一项所述的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）以质量百分配比为0.15%碳化钒、0.1%碳化钽、0.15%钴和99.6%碳化钨在氮气保护的三维混料罐中混合6小时，其中碳化钨、碳化钒和碳化钽粒度为300纳米，金属钴粒度为1微米；碳化钨、碳化钒和碳化钽的纯度均为99.8%，金属钴的纯度为99.5%；

2）将混合好的原料装入石墨模具中，置于等离子活化烧结炉中，石墨内腔形状为带圆角R5mm的矩形，尺寸为22mm×81mm，石墨材质抗压强度为125MPa，原料与石墨模具之间的隔离石墨纸厚度为0.30mm；

3）等离子活化烧结工艺为：升温速度120℃/min，烧结压力25MPa，烧结温度1680℃，保温时间5分钟，随炉冷却。