CN104480336B - 一种耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法 - Google Patents

一种耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温高强WC‑Co‑Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法。本发明将钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉按照摩尔质量比混合并球磨；在保护气氛下对球磨粉末烧结，获得Ti3SiC2‑TiC复合粉末；将碳化钨粉、钴粉、Ti3SiC2‑TiC复合粉、碳化铌粉和碳化钒粉按质量比混合球磨，制得混合粉末装入模具，用单轴模压机压制成型，得到生坯；在保护气氛下对生坯材料烧结成型，最终获得WC‑Co‑Ti3SiC2硬质合金材料。本发明用Ti3SiC2‑TiC复合粉替代Co粉作为粘结剂，制备的WC‑Co‑Ti3SiC2硬质合金具有室温、高温力学性能更优和寿命长等特点。

Description

一种耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及新硬质合金材料技术领域，尤其涉及一种耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法。
背景技术
硬质合金亦称金属陶瓷材料，是以难熔金属硬质化合物(WC、TiC、TiN或Ti(C,N))为基，以金属为黏结剂，用省能化、无污染、少切屑或无切屑近净成形的粉末冶金技术制备的高强耐磨材料。硬质合金的绿色制造技术、优良综合性能和高切削加工效率使其得到最广泛应用。与TiC、TiN或Ti(C,N)基硬质合金相比，由于WC与金属黏结剂的润湿性较好，易于生成组织均匀、致密的过渡相，并形成高性能界面，保证WC基硬质合金的优良综合性能，特别是高温切削性能。因此，WC基硬质合金在切削刀具方面的应用更为广泛。
Co元素因具有综合性能优良，与WC润湿性好而被用作WC基硬质合金材料的关键黏结剂。但由于其存在高温蠕变、高温氧化、高温软化等一般金属材料的缺点，缩短了WC-Co硬质合金的使用寿命，限制了其在较高温度(＞1000℃)及交变温度场条件下的应用。因此，寻找一种具有优良高温性能的新型材料部分替代或完全替代Co金属，作为WC基硬质合金材料的黏结剂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
本发明是针对WC-Co硬质合金在＞1000℃的较高温度及交变温度场条件下应用限制的研发领域现状，提供一种耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法。
本发明将钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉按照摩尔质量比混合并球磨；在保护气氛下对球磨粉末烧结，获得Ti3SiC2-TiC复合粉末；将碳化钨粉、钴粉、Ti3SiC2-TiC复合粉、碳化铌粉和碳化钒粉按质量比混合球磨，制得混合粉末装入模具，用单轴模压机压制成型，得到生坯；在保护气氛下对生坯材料烧结成型，最终获得WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料。本发明用Ti3SiC2-TiC复合粉替代Co粉作为粘结剂，制备的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金具有室温、高温力学性能更优和寿命长等特点。
本发明采用如下技术方案：
本发明的耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法的具体步骤如下：
(1)首先将钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉按照摩尔质量比2.7～3.1：1.1～1.6：1.8～2.2：0.1～0.35预混合1小时，再将预混合粉末在氩气气氛保护下球磨12小时；
(2)在氩气气氛保护下将球磨的粉料进行烧结，粉末间发生化学反应，并在化学反应过程中生成Ti3SiC2-TiC复合粉末，生成温度1280～1420℃；
(3)取出Ti3SiC2-TiC复合粉末，研磨成细粉，并与碳化钨粉、钴粉、碳化铌粉和碳化钒粉按质量比2～6：87～91：5～8：0.1～0.3：0.15～0.25混合1小时，混后球磨14小时，并将球磨粉末装入冷压模具在单轴模压机中压制成生坯；
(4)在氩气气氛保护下将生坯装入高温管式烧结炉中烧结成型，烧后随炉冷却。
步骤(1)中，步骤(1)中，优选钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉摩尔质量比为2.8：1.3：2.1：0.27。
步骤(2)中，对球磨的粉料进行烧结，烧结温度1300～1520℃，保温时间1.5～2.5小时，升温速率3～7℃/min，冷却速率10～20℃/min，氩气保护；优选：烧结温度1480℃，保温时间2.2小时，升温速率5℃/min，冷却速率15℃/min。
步骤(1)和步骤(3)中，将混合粉末进行球磨，球磨机主轴转速200～350转/分，填充系数0.35～0.5，磨球材料为硬质合金，氩气保护。
步骤(3)中，优选Ti3SiC2-TiC复合粉末与碳化钨粉、钴粉、碳化铌粉和碳化钒粉的质量比为4：89：6.65：0.15：0.2。
步骤(3)中，将制备的Ti3SiC2-TiC复合粉末研磨成细粉，研磨后粉末平均尺寸为0.45μm。
步骤(4)中，对压制成型生坯进行高温烧结，烧结温度1380～1450℃，保温时间1～2小时，升温速率5～8℃/min，降温速率12～24 ℃/min，氩气保护。
本发明根据拟制备WC-Co-Ti3SiC2硬质合金块体材料的界面结合性能和物相组成精确调控Ti3SiC2-TiC复合粉末添加量，配合优化设计合成Ti3SiC2-TiC复合粉末的原料组分、晶粒抑制剂含量和硬质合金块体制备工艺，提供了一条完整制备耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的技术路线。
与其它方法相比，本发明具有以下特点和优势：
(1)在制备WC-Co-Ti3SiC2硬质合金块体过程中，本发明完全改变了已有方法中单纯依靠高温金属或合金作为黏结剂材料来提高其硬质合金的高温力学性能的思路，而是根据大量研究成果，采用一种新型高温高强Ti3SiC2-TiC复合粉末作为WC基硬质合金的黏结剂，并研究Ti3SiC2-TiC重量百分比、界面特性和物相组成之间的关系，即：对于WC-Co-Ti3SiC2硬质合金，工作环境温度＞1000℃条件下保持较高力学性能的最佳Ti3SiC2-TiC重量百分比为2％～6％，对Ti3SiC2-TiC复合粉末添加量进行精确调控。此方法具有突出针对性，成分控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，克服了因金属高温弱化和组分偏析对制备的硬质合金高温力学性能的不良影响。
(2)在WC-Co-Ti3SiC2硬质合金块体的单轴模压成形工艺方面的本质特点是：
①成形模具的主要制备材料为高强WC-Co硬质合金，一方面可承受较大载荷，有利于冷成型坯的致密化，为后续烧结提供致密度和 强度支持，抑制烧结过程中发生成分偏析，保证烧结硬质合金块体材料组织均匀；另一方面杜绝坯体在冷成形过程中掺入来自模壁的杂质，保证冷压硬质合金坯体组分的整体纯净性。
②冷压操作只是用模壁润滑剂，而不使用成型剂，结果表明，制备出的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金致密度与加成型剂的相似，且不存在因成型剂残留而产生的杂质，减少了承受载荷时微裂纹形核及扩展的几率，使得硬质合金块体材料具有高强度。
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抗弯强度测试条件符合《GB3851-83》标准，高温抗拉强度测试条件符合《GB4338-84》标准。
实施例1
首先将钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉按照摩尔质量比(2.8：1.3：2.1：0.27)预混合1小时，再将预混合粉末在氩气气氛保护下球磨12小时，球磨机主轴转速300转/分，填充系数0.35，磨球材料为硬质合金。在氩气气氛保护下将球磨的粉料进行烧结，制成Ti3SiC2-TiC复合粉末，烧结温度1480℃，保温时间2.2小时，升温速率5℃/min，冷却速率15℃/min；
取出Ti3SiC2-TiC复合粉末，研磨成颗粒尺寸为0.45μm细粉，并与碳化钨粉、钴粉、碳化铌粉和碳化钒粉按质量比(2：90：7.7：0.1： 0.2)混合1小时，混后球磨14小时，球磨机主轴转速300转/分，填充系数0.5，磨球材料为硬质合金。并将球磨粉末装入冷压模具在单轴模压机中压制成生坯，压制力为230MPa；
在氩气气氛保护下将生坯装入高温管式烧结炉中烧结成型，烧后随炉冷却，烧结温度1380℃，保温时间1小时，升温速率8℃/min，降温速率24℃/min。
实施例2
首先将钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉按照摩尔质量比(2.8：1.3：2.1：0.27)预混合1小时，再将预混合粉末在氩气气氛保护下球磨12小时，球磨机主轴转速300转/分，填充系数0.35，磨球材料为硬质合金。在氩气气氛保护下将球磨的粉料进行烧结，制成Ti3SiC2-TiC复合粉末，烧结温度1480℃，保温时间2.2小时，升温速率5℃/min，冷却速率15℃/min；
取出Ti3SiC2-TiC复合粉末，研磨成颗粒尺寸为0.45μm细粉，并与碳化钨粉、钴粉、碳化铌粉和碳化钒粉按质量比(4：89：6.65：0.15：0.2)混合1小时，混后球磨14小时，球磨机主轴转速320转/分，填充系数0.4，磨球材料为硬质合金。并将球磨粉末装入冷压模具在单轴模压机中压制成生坯，压制力为260MPa；
在氩气气氛保护下将生坯装入高温管式烧结炉中烧结成型，烧后随炉冷却，烧结温度1410℃，保温时间1.5小时，升温速率6℃/min，降温速率18℃/min。
实施例3
首先将钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉按照摩尔质量比(2.8：1.3：2.1：0.27)预混合1小时，再将预混合粉末在氩气气氛保护下球磨12小时，球磨机主轴转速300转/分，填充系数0.4，磨球材料为硬质合金。在氩气气氛保护下将球磨的粉料进行烧结，制成Ti3SiC2-TiC复合粉末，烧结温度1480℃，保温时间2.2小时，升温速率5℃/min，冷却速率15℃/min；
取出Ti3SiC2-TiC复合粉末，研磨成颗粒尺寸为0.45μm细粉，并与碳化钨粉、钴粉、碳化铌粉和碳化钒粉按质量比(6：87：6.45：0.3：0.25)混合1小时，混后球磨14小时，球磨机主轴转速350转/分，填充系数0.35，磨球材料为硬质合金。并将球磨粉末装入冷压模具在单轴模压机中压制成生坯，压制力为290MPa；
在氩气气氛保护下将生坯装入高温管式烧结炉中烧结成型，烧后随炉冷却，烧结温度1450℃，保温时间2小时，升温速率5℃/min，降温速率14℃/min。
对比例1
将实施例1中Ti3SiC2-TiC复合粉末替换为Co粉，其他工艺同实施例1，制备得到的硬质合金材料性能参数见表2。
对比例2
将实施例3中Ti3SiC2-TiC复合粉末替换为Co粉，其他工艺同实施例3，制备得到的硬质合金材料性能参数见表2。
表1 不同实施例制备耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的性能参数
表2 对比例制备WC-Co硬质合金的性能参数
由表1和表2可以看出，用实施例1-3方法制备的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的硬度、抗弯强度及高温拉伸强度均显著优于相同方法制备的WC-Co硬质合金。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法的具体步骤如下：
(1)首先将钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉按照摩尔比2.7～3.1：1.1～1.6：1.8～2.2：0.1～0.35预混合1小时，再将预混合粉末在氩气气氛保护下球磨12小时；
(2)在氩气气氛保护下将球磨的粉料进行烧结，粉末间发生化学反应，并在化学反应过程中生成Ti3SiC2-TiC复合粉末；
(3)取出Ti3SiC2-TiC复合粉末，研磨成细粉，并与碳化钨粉、钴粉、碳化铌粉和碳化钒粉按质量比2～6：87～91：5～8：0.1～0.3：0.15～0.25混合1小时，混后球磨14小时，并将球磨粉末装入冷压模具在单轴模压机中压制成生坯；
(4)在氩气气氛保护下将生坯装入高温管式烧结炉中烧结成型，烧后随炉冷却；
步骤(2)中，对球磨的粉料进行烧结，烧结温度1300～1520℃，保温时间1.5～2.5小时，升温速率3～7℃/min，冷却速率10～20℃/min，氩气保护。
2.如权利要求1所述的耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，钛粉、硅粉、石墨粉和铝粉摩尔比为2.8：1.3：2.1：0.27。
3.如权利要求1所述的耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(3)中，将混合粉末进行球磨，球磨机主轴转速200～350转/分，填充系数0.35～0.5，磨球材料为硬质合金，氩气保护。
4.如权利要求1所述的耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，Ti3SiC2-TiC复合粉末与碳化钨粉、钴粉、碳化铌粉和碳化钒粉的质量比为4：89：6.65：0.15：0.2。
5.如权利要求1所述的耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，将制备的Ti3SiC2-TiC复合粉末研磨成细粉，研磨后粉末平均尺寸为0.45μm。
6.如权利要求1所述的耐高温高强WC-Co-Ti3SiC2硬质合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，对压制成型生坯进行高温烧结，烧结温度1380～1450℃，保温时间1～2小时，升温速率5～8℃/min，降温速率12～24℃/min，氩气保护。
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