CN104032153B

CN104032153B - 一种高强韧微晶硬质合金的制造方法

Info

Publication number: CN104032153B
Application number: CN201410247383.2A
Authority: CN
Inventors: 叶惠明; 叶少良; 诸优明
Original assignee: HEYUAN ZHENGXIN CEMENTED CARBIDE CO Ltd
Current assignee: HEYUAN ZHENGXIN CEMENTED CARBIDE CO Ltd
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: CN104032153A

Abstract

本发明公开了一种高强韧微晶硬质合金的制造方法，包括配料、球磨、制粒（包含过筛干燥、掺蜡）、压制和低压烧结（包含脱蜡预烧）工序，其特征在于：所述的低压烧结工序过程为：装料→抽真空→升温至300‑500℃脱蜡预烧→升温至1100‑1300℃保温→升温至液相烧结温度→充Ar加压→保温加压→降压冷却→卸料，并通过分析检验使得配料计算时碳平衡值为（+0.15~+0.20）%，硬质合金中WC的平均晶粒度达（0.25~0.35）μm。通过本发明所提供的方法，能使制得的硬质合金韧性和耐磨性增加，适用于制造有色金属切削刀片，对铸铁、碳钢、合金钢等多种材料耐用度明显提高，降低工件表面粗糙度和提高刀具切削力。

Description

一种高强韧微晶硬质合金的制造方法

技术领域

本发明涉及一种硬质合金，尤其是涉及一种高强韧微晶硬质合金的制造方法。

背景技术

硬质材料是由硬质颗粒及粘结物构成的复合材料，包括硬质合金、钢结硬质合金、金属陶瓷等，具有硬度高、强度高、耐磨、韧性好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，硬质合金是以WC、TiC或二者行程复式碳化物为硬质相，以Co、Mo、Ni为粘结相经高温液相烧结而成，硬质合金刀具、工模具、耐磨零件在机械、冶金、采矿、石油、电子等行业具有广泛的应用。现代工业的高速生产，日益向着高效率、高精度、高可靠性、高寿命的发展，对硬质合金工模具、刀具及耐磨件综合性能要求越来越高。硬质合金材料的制造关键工序是硬质合金混合料的生产和烧结工序。传统的硬质合金的制造方法存在粉末和烧结方法缺陷消除困难、混合不均、混合效率低下、最终产品硬度和韧性互相矛盾。

发明内容

针对现有技术改善硬质合金的硬度和韧性两大相矛盾的性能技术问题，本发明提供一种硬质合金的制造方法，以使得提高硬质合金硬度的同时抗弯强度有明显提高。

本发明的技术方案为：一种高强韧微晶硬质合金的制造方法，包括配料、球磨、制粒（包含过筛干燥、掺蜡）、压制和低压烧结（包含脱蜡预烧）工序，其特征在于：所述的低压烧结工序过程为：装料→抽真空→升温至300-500℃脱蜡预烧→升温至1100-1300℃保温→升温至液相烧结温度→充Ar加压→保温加压→降压冷却→卸料。

所述的配料工序中，原料包括超细晶粒WC粉、Co粉、VC、B₄C、NbC、TaC和Mo2C，所述各组分质量百分比为WC粉83.9~91.2%、Co粉8~12%， VC 0.2%~0.6%、B₄C 0.1%~0.5%、NbC0.1%~0.5%、TaC 0.3%~2.0%、Mo2C 0.1%~0.5% ，碳平衡值为（+0.20~+0.25）% 。

所述的球磨工序中，所述原料在称量后球磨，球磨介质为酒精，粘结剂为石蜡，所述球磨工序工序是采用高能行星球磨机球磨，将球磨介质和各个原料粉末按比例混合，使原料粉充分破碎并混合更加均匀，并在一定程度上增加烧结活性。

所述的制粒工序（包含过筛干燥、掺蜡工序）是采用惰性气体（N₂、Ar）雾化制备的合金粉，由于合金粉末的细化，在过筛干燥过程中容易产生CO或CO₂，烧结时影响合金的致密化，不利于合金的力学性能，其中过筛干燥工序采用惰性气体（N₂、Ar）保护合金粉，使合金粉与其他气体隔开，以防止合金粉产生CO或CO₂等不利于合金的力学性能气体。

所述的过筛干燥和制粒压制之间还设有过筛掺蜡工序；所述的制粒压制和低压烧结之间还设有脱蜡预烧工序，优选地，所述的制粒压制和低压烧结之间还设有半检加工工序；所述的低压烧结工序后进一步设有成品加工、成品检查和包装入库工序。

所述的压制工序是自动压制工艺，采用自动压制成型，得到生坯密度均匀分布的坯体，并且避免压制过程中所可能造成的二次污染。由于合金粉末的细化，压制品容易产生CO或CO₂，烧结时影响合金的致密化，不利于合金的力学性能，因此，采用惰性气体（N₂、Ar）保护压制品，使压制品与其他气体隔开，以防止压制品产生CO或CO₂等不利于合金的力学性能气体。

所述的烧结工序是低压烧结工艺（包含脱蜡预烧工序），采用脱蜡预烧和低压烧结一体炉烧结，是目前硬质材料致密化较为先进的工艺，它可以在较高烧结温度、液相量较多的状态下，借助一定气压力使被烧结材料完全致密，保证相对密度达到99％以上。

本发明的有益效果为：用本方法制得的硬质合金耐磨性和韧性增加，适用于制造有色金属切削刀片，对铸铁、碳钢、合金钢等多种材料耐用度明显提高，降低工件表面粗糙度和提高刀具切削力。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明制造微晶硬质合金的工序过程分为：配料→球磨→制粒（包含过筛干燥、掺蜡工序）→压制→低压烧结（包含脱蜡预烧工序），本发明中现有的真空烧结方式不同，压制品所采用的是低压烧结工艺，是用脱蜡预烧和低压烧结一体炉烧结，其具体的过程为：装料→抽真空→升温至300~500℃脱蜡预烧→升温至1200℃保温→升温至液相烧结温度→充Ar加压→保温加压→降压冷却→卸料，同时本发明在配料工序中，原料选用HCP值为（39~41）KA/m的超细晶粒WC粉，加入8~12%的超细Co粉，并加入重量百分比为0.2%~0.6%的VC、重量百分比为0.1%~0.5%的B₄C、重量百分比为0.1%~0.5%的NbC、重量百分比为0.3%~2.0%的TaC、重量百分比为0.1%~0.5%的Mo2C，并通过分析检验使得配料计算时碳平衡值为（+0.15~+0.20）%，硬质合金中WC的平均晶粒度达（0.25~0.35）μm。所述的球磨工序采用高能行星球磨机球磨，将球磨介质和各个原料粉末按比例混合，使原料粉充分破碎并混合更加均匀，并在一定程度上增加烧结活性。所述的制粒工序（包含过筛干燥、掺蜡工序），采用惰性气体（N2、Ar）雾化制备的合金粉，其中过筛干燥工序采用惰性气体（N2、Ar）保护合金粉。所述的压制工序是自动压制工艺，采用自动压制成型，得到生坯密度均匀分布的坯体，并且避免压制过程中所可能造成的二次污染，并采用惰性气体（N2、Ar）保护压制品。所述的烧结工序采用低压烧结工艺（包含脱蜡预烧工序），采用脱蜡预烧和烧结一体炉烧结，是目前硬质材料致密化较为先进的工艺，它可以在较高烧结温度、液相量较多的状态下，借助一定气压力使被烧结材料完全致密，保证相对密度达到99％以上。

本发明中在配料工序中，原料选用HCP值为（39~41）KA/m的超细晶粒WC粉，加入8~12%的超细Co粉，并加入重量百分比为0.2%~0.6%的VC、重量百分比为0.1%~0.5%的B₄C、重量百分比为0.1%~0.5%的NbC、重量百分比为0.3%~2.0%的TaC、重量百分比为0.1%~0.5%的Mo2C，并通过分析检验使得配料计算时碳平衡值为（+0.15~+0.20）%，硬质合金中WC的平均晶粒度达（0.25~0.35）μm。添加重量百分比为0.1%~0.5%的B₄C可提高硬质合金耐磨性和抗弯强度。

表1提供了添加重量百分比为0.3%的B₄C前、后材料的性能比较。从表1可以看出，添加重量百分比为0.3%的B₄C，硬度增加不明显，抗弯强度明显提高。由于碳化硼是一种比碳化钨还要硬的固体，它本身熔点高，在1000～1100℃条件下VC过渡金属与碳化硼粉末强烈反应形成金属硼化物，能增加合金的硬度和韧性。因此，配方组分添加B₄C能够提高硬质合金的综合性能。

本发明中所述的球磨工序采用高能行星球磨机球磨，将球磨介质和各个原料粉末按比例混合，使原料粉充分破碎，比传统工艺混合更加均匀，混合效率更高，并在一定程度上增加烧结活性。所述的制粒工序（包含过筛干燥、掺蜡工序），采用惰性气体（N2、Ar）雾化制备的合金粉，其中过筛干燥工序采用惰性气体（N2、Ar）保护合金粉，使合金粉与其他气体隔开，以防止合金粉产生CO或CO₂等不利于合金的力学性能气体。所述的压制工序是自动压制工艺，采用自动压制成型，得到生坯密度均匀分布的坯体，并且避免压制过程中所可能造成的二次污染，并采用惰性气体（N2、Ar）保护压制品，使压制品与其他气体隔开，以防止压制品产生CO或CO₂等不利于合金的力学性能气体。所述的烧结工序是低压烧结工艺（包含脱蜡预烧工序），采用脱蜡预烧和低压低烧结一体炉烧结，是目前硬质材料致密化较为先进的工艺，它可以在较高烧结温度、液相量较多的状态下，借助一定气压力使被烧结材料完全致密，保证相对密度达到99％以上。传统的低压烧结工艺是将压制品在真空烧结炉脱蜡预烧，然后在低压烧结炉烧结，在装料过程中压制品容易产生CO或CO₂等不利于合金的力学性能气体，而脱蜡预烧和低压烧结一体炉烧结就避免了这个情况。表2提供了低压烧结处理前、后材料的性能比较。从表2可以看出，经低压烧结处理后，合金孔隙率减小，硬度略有增加，抗弯强度明显提高。因此，低压烧结能够明显提高合金的综合性能。

本发明中低压烧结的低压是相对热等静压的压力来说的，二者都是在等静压力下烧结，前者的压力小于10MPa，后者的压力高达100MPa。低压烧结是在真空烧结和热等静压的基础上而形成的，在烧结温度下较低的压力可以消除合金内的孔隙，而且可以避免因高压而在合金中造成‘钴池’的缺陷。低压烧结使合金能获得更好的综合性能。

本发明中采用低压烧结的优势在于：能显著减少合金中的显微孔隙，且烧结体内的绝大部分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。低孔隙是高质量硬质合金的重要标志，在生产中应尽量降低合金中的孔隙。硬质合金致密化与毛细管力、液相对固相的湿润性和液体的表面张力都有着息息相关的关联。在烧结过程中随着温度升高，当出现液相时，由于毛细管压力，使液相向WC表面移动，由于液相对WC相有很好的湿润性，使液相很好的附在WC表面，由于液相的表面张力，驱使被液相包裹的WC移动，强烈的收缩就此发生。在压力作用下，被液相包裹的WC移动，收缩的过程中，存在于其中的气体被进一步排出，致密化程度增高。但随着收缩的增强，封闭孔隙内产生压力，当表面张力等于或小于孔隙内压力时，封闭孔隙在合金中被保存下来，形成显微孔隙。低压烧结前，WC颗粒呈不规则多边形，边角较尖锐，组织中存在孔洞等缺陷，且集中在WC颗粒密集区域；低压烧结之后，组织中的孔洞等显著减少或细化，这是使合金硬度和抗弯强度提高的关键因素。虽然真空烧结与低压烧结都有致密化作用，但其致密化机理有所不同，在真空烧结过程中，孔隙表面积减小和球化是孔隙减小和消失的驱动力；而在低压烧结过程中，除这一机制继续作用外，高压力的环境也给合金施加了一个外加的力，产生明显的粘塑性流动，原子向孔隙方向移动更加容易，并且运动速度更快。此外，在压力与温度的同时作用下，WC在合金液相中发生溶解和析出过程，使得个别尺寸较大的WC颗粒尖角钝化，边界变得平滑，形状趋于圆润。在硬质合金中，硬质相的尖角会引起应力集中，并对基体产生切割作用，硬质相的圆化使合金力学性能提高。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims

1.一种高强韧微晶硬质合金的制造方法，包括配料、球磨、制粒、压制和低压烧结工序，所述的低压烧结工序过程为：装料→抽真空→升温至300-500℃脱蜡预烧→升温至1100-1300℃保温→升温至液相烧结温度→充Ar加压→保温加压→降压冷却→卸料，其特征在于：

所述的配料工序中，原料包括超细晶粒WC粉、Co粉、VC、B₄C、NbC、TaC和Mo₂C，各组分质量百分比为WC粉83.9~91.2%、Co粉8~12%， VC 0.2%~0.6%、B₄C 0.1%~0.5%、NbC 0.1%~0.5%、TaC 0.3%~2.0%、Mo₂C 0.1%~0.5% ，碳平衡值为（+0.20~+0.25）% 。

2.根据权利要求1所述的高强韧微晶硬质合金的制造方法，其特征在于：所述的球磨工序中，所述原料在称量后球磨，球磨介质为酒精，粘结剂为石蜡，所述球磨工序是采用高能行星球磨机球磨，将球磨介质和各个原料粉末按比例混合，使原料粉充分破碎并混合。

3.根据权利要求1所述的高强韧微晶硬质合金的制造方法，其特征在于：所述的制粒工序是采用惰性气体雾化制备的合金粉。

4.根据权利要求1所述的高强韧微晶硬质合金的制造方法，其特征在于：所述的压制工序是自动压制工艺，采用自动压制成型，得到生坯密度均匀分布的坯体。

5.根据权利要求1所述的高强韧微晶硬质合金的制造方法，其特征在于：所述的烧结工序是低压烧结工艺，采用脱蜡预烧和低压烧结一体炉烧结。