CN103993214B - 含氮硬质合金制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含氮硬质合金制造工艺，采用W、TiC、N2为原料，经充分混合均匀后，在高温下发生如下反应：2W+C+TiC+N→2WC+TiN，W夺取TiC中的C生成WC，游离Ti与N生成TiN，组成TiCN固溶体，WC溶解在TiCN固溶体颗粒表面，将该固溶体制成固溶体粉，再将所述固溶体粉加入WC和Co，制成合金。本发明不但不需要昂贵的热等静压设备，而且合金性能优于用热等静压工艺生产的合金产品性能，在硬质合金烧结过程中，抑制了TiN的分解，同时Co对WC有良好的润湿性，极大的降低了合金的孔隙度，提高了合金强度，改善了合金力学性能，大大节约了成本，可以实现批量化生产，具有很好的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质合金加工工艺，尤其涉及一种含氮硬质合金制造工艺。
背景技术
在硬质合金材料中，含钽硬质合金具有极其优越的物理学性能，一直在工具材料中占主导地位。但由于资源稀少，而且是一种很重要的战略资源，价格不断上涨。目前达到2700元/KG。为了节省资源，寻找TaC的替代物是硬质合金行业长期不遗余力的课题，国内同行一直在寻找替代品。作为重要研究课题，用TiN全部或部分取代TaC是很重要的研究方向之一。TiN资源丰富，价格低廉。日本在这方面做了大量工作，据称含氮的硬着合金，其结构特征，抗弯强度及抗氧化性与含TaC的合金相当甚至更优。但由于TiN在高温下要分解，而且与合金中粘结剂金属钴的润湿性差，准确控制N含量，降低合金孔隙度是十分困难的，其批量工业生产难度很大，而且必须借助于昂贵的热等静压设备来完成，没有形成批量化生产的能力和条件。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种含氮硬质合金制造工艺，不但不需要昂贵的热等静压设备，而且合金性能优于用热等静压工艺生产的合金产品性能，在硬质合金烧结过程中，抑制了TiN的分解，同时Co对WC有良好的润湿性，极大的降低了合金的孔隙度，提高了合金强度，改善了合金力学性能，大大节约了成本，可以实现批量化生产，具有很好的实用性。
本发明的技术方案是：一种含氮硬质合金制造工艺，采用W、TiC、N2为原料，经充分混合均匀后，在高温下发生如下反应：
2W+C+TiC+N—→2WC+TiN
W夺取TiC中的C生成WC，游离Ti与N生成TiN，组成TiCN固溶体，WC溶解在TiCN固溶体颗粒表面，将该固溶体制成固溶体粉，再将所述固溶体粉加入WC和Co，制成合金。
作为优选，制备固溶体粉的具体工艺步骤为：
（1）将W和TiC在混合器内进行充分混合均匀，然后将其放入石墨舟皿中压紧；
（2）将经过步骤（1）处理过的原料放入烧结炉中，在真空中加热至1400℃，保温30分钟，使W生成WC，然后继续升温到1550℃，充入N2气，保温3小时以上，使TiC生成TiCN固溶体，同时，使WC溶解在TiCN固溶体颗粒表面，冷却后，在球磨机中破碎，破碎粉末经40目筛网过筛，完成固溶体粉的制备。
作为优选，所述混合器为球磨机，W和TiC在球磨机内混料1-3小时。
作为优选，将固溶体粉制成合金的具体步骤为：
（1）取10%（重量）的固溶体粉、80%（重量）的WC和10%（重量）的Co制成配料100KG，在球磨机中湿磨10-20小时；
（2）将步骤（1）中制成的料浆经320目过筛后，干燥和制粒，然后压制成型，压坯经1450℃真空烧结得到合金。
作为优选，所述制粒温度控制在30℃。
作为优选，还包括鉴定步骤，制粒后压制鉴定块，将鉴定块经1300℃-1550℃烧结，然后对鉴定块进行鉴定，鉴定项目包括硬度、孔空隙度、抗弯强度、密度和冲击试验。
作为优选，压坯经1450℃真空烧结后进行检验，然后制成合金坯件。
本发明的有益效果是：传统的生产固溶体工艺有两种，一种是以TiO2、WC以及碳黑为原料，高温碳化。一旦有TiC生成，即生成TiWC固溶体。另一种是TiO2、W、C为原料，由于WC生成温度低，所以首先生成WC，在更高的温度下，TiC生成。先生成的WC也将立即溶解到TiC中。如果碳化不充分，往往芯部是富WC，而外表富TiC。这种结构的固溶体，Co的润湿性差。
本方案逆向思考，要使芯部富TiC，表层富WC，这样将改善Co对其的润湿性。TiN、TiC是非强势化学配位化合物，WC是强势配位化合物。也就是说如果将TiN、TiC、WC配合在一起，在一定条件下，若碳势不足，W将将强制性地将碳占为己有，生成配位数1:1的原子比化合物。而在TiCx中χ将﹤1。TiC不能溶解于WC中，而WC能部分溶解在TiC中。为此，用TiC、W为原料，加入N2，由于W与N不反应，而且W与C是强配位化合物，所以，在生成条件下，W将夺取TiC中的C而生成WC。而N与Ti较强势的化合物，多余的“游离”Ti将与N生成TiN，组成TiCN固溶体。而WC又能部分溶解于TiC中。由于烧结过程中毛坯的温度由外向里有一定的温度梯度，外表温度高于中心温度，所以WC一经生成首先溶解于TiCN颗粒表面。从而达到外表富集更多的W。控制W、Ti的比例和条件，将使WC的量刚好能在TiC晶粒表面形成一种富W的“壳”。这个梯度壳，即解决了Co对其湿润问题，又控制了N在高温下分解抑出，极大的降低了合金的孔隙度，提高了合金强度，改善了合金力学性能，从而达到本研究所要解决的技术难题。
采用本工艺制得的合金性能如下：
硬度HRA：91—91.5
密度：12.9－13.1g/cm3
抗弯强度：2300N/mm2
孔隙度：A02、B00、C00
晶粒度：WC：1.2—1.64μ
Ti相：1.5μ。
本发明节约了昂贵的稀有金属钽，降低了生产成本。本发明采用特殊的结构设计，不但不需要昂贵的热等静压设备，而且合金性能优于用热等静压工艺生产的合金产品性能，可以实现批量化生产，如果按现在全国Ta的消耗100吨计算，可产生2亿元以上经济效益。更重要的是解决了资源稀缺的问题，非常具有实用性。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
作为本发明的一种实施方式，如图1所示，一种含氮硬质合金制造工艺，采用W、TiC、N2为原料，经充分混合均匀后，在高温下发生如下反应：
2W+C+TiC+N—→2WC+TiN
W夺取TiC中的C生成WC，游离Ti与N生成TiN，组成TiCN固溶体，WC溶解在TiCN固溶体颗粒表面，将该固溶体制成固溶体粉，再将所述固溶体粉加入WC和Co，制成合金。
作为优选，制备固溶体粉的具体工艺步骤为：
（1）将W和TiC在混合器内进行充分混合均匀，然后将其放入石墨舟皿中压紧；
（2）将经过步骤（1）处理过的原料放入烧结炉中，在真空中加热至1400℃，保温30分钟，使W生成WC，然后继续升温到1550℃，充入N2气，保温3小时以上，使TiC生成TiCN固溶体，同时，使WC溶解在TiCN固溶体颗粒表面，冷却后，在球磨机中破碎，破碎粉末经40目筛网过筛，完成固溶体粉的制备。
作为优选，所述混合器为球磨机，W和TiC在球磨机内混料1-3小时。
作为优选，将固溶体粉制成合金的具体步骤为：
（1）取10%（重量）的固溶体粉、80%（重量）的WC和10%（重量）的Co制成配料100KG，在球磨机中湿磨10-20小时；
（2）将步骤（1）中制成的料浆经320目过筛后，干燥和制粒，然后压制成型，压坯经1450℃真空烧结得到合金。作为优选，所述制粒温度控制在30℃。
作为优选，还包括鉴定步骤，制粒后压制鉴定块，将鉴定块经1300℃-1550℃烧结，然后对鉴定块进行鉴定，鉴定项目包括硬度、孔空隙度、抗弯强度、密度和冲击试验。
作为优选，压坯经1450℃真空烧结后进行检验，然后制成合金坯件。
所述合金性能如下：
硬度HRA：91—91.5
密度：12.9－13.1g/cm3
抗弯强度：2300N/mm2
孔隙度：A02、B00、C00
晶粒度：WC：1.2—1.64μ
Ti相：1.5μ。
以上对本发明所提供的一种含氮硬质合金制造工艺进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的工艺及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求可规定的构思和范围。
Claims (3)
1.一种含氮硬质合金制造工艺，其特征在于：采用W、TiC、N2为原料，经充分混合均匀后，在高温下发生如下反应：
2W+C+TiC+N—→2WC+TiN
W夺取TiC中的C生成WC，游离Ti与N生成TiN，组成TiCN固溶体，WC溶解在TiCN固溶体颗粒表面，将该固溶体制成固溶体粉，再将所述固溶体粉加入WC和Co，制成合金；
制备固溶体粉的具体工艺步骤为：
（1）将W和TiC在混合器内进行充分混合均匀，然后将其放入石墨舟皿中压紧；
（2）将经过步骤（1）处理过的原料放入烧结炉中，在真空中加热至1400℃，保温30分钟，使W生成WC，然后继续升温到1550℃，充入N2气，保温3小时以上，使TiC生成TiCN固溶体，同时，使WC溶解在TiCN固溶体颗粒表面，冷却后，在球磨机中破碎，破碎粉末经40目筛网过筛，完成固溶体粉的制备；
将固溶体粉制成合金的具体步骤为：
（1）取10%（重量）的固溶体粉、80%（重量）的WC和10%（重量）的Co制成配料100KG，在球磨机中湿磨10-20小时；
（2）将步骤（1）中制成的料浆经320目过筛后，干燥和制粒，然后压制成型，压坯经1450℃真空烧结得到合金。
2.根据权利要求1所述的含氮硬质合金制造工艺，其特征在于：所述混合器为球磨机，W和TiC在球磨机内混料1-3小时。
3.根据权利要求1所述的含氮硬质合金制造工艺，其特征在于：所述制粒温度控制在30℃。
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