CN105063451A - 一种抗氧化硬质合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗氧化硬质合金材料，所述抗氧化硬质合金材料由以下重量百分比的组分组成：l～20％粘结相，80％～99％硬质相，所述粘结相为NiCrAlY合金，其特征在于：所述硬质相由WC和SiAlCN组成，所述WC占所述抗氧化硬质合金材料的重量百分比为55％～97％，所述SiAlCN占所述抗氧化硬质合金材料的重量百分比为2％～25％。本发明抗氧化硬质合金材料，通过向硬质相中加入精确含量的SiAlCN，从而与粘结相混合均匀后用于制作硬质合金工具，这样能够使硬质相具有较高的硬度和抗氧化性能，能够提高硬质合金工具的高温强度、硬度和韧性，SiAlCN在硬质合金工具高温使用过程中，能够在工具表面能够形成致密氧化物保护膜，抗氧化温度达到1500℃以上，并且抗硫化和抗各种介质腐蚀。

Description

一种抗氧化硬质合金材料
技术领域
本发明属于无机材料领域，涉及一种合金材料，具体涉及一种抗氧化硬质合金材料。
背景技术
硬质合金号称“工业的牙齿”，是一种高效工具材料和结构材料，主要应用于数控机床精密加工刀具技术领域，还可用于模具和凿岩、矿山、建筑等工程机械耐磨技术领域，对工业发展和科技进步起到了重要的推动作用。
传统硬质合金是以Co、Ni、Fe单质元素为粘结相、以WC为硬质相。随着使用温度的升高，特别是在400℃以上，Co、Ni、Fe单质元素为粘结相和WC硬质相开始发生氧化，WC氧化生成WO3，Co氧化生成CoWO4，氧化物疏松多孔，不具有保护性，导致传统硬质合金抗弯强度、硬度等性能显著降低，高温使用寿命也显著降低。文献1(徐涛，硬质合金高端产品及新材料发展趋势分析，硬质合金，2011，28(6)：395-402)报道了采用Ni3Al合金代替Co作为硬质合金粘结相。然而，镍铝合金依据铝的含量不同存在多种相，不同相的物理化学性能不同，采用Ni3Al合金作为硬质合金粘结相，存在硬质合金产品质量性能不可控的问题。文献2(冯亮，杨艳玲，陆德平，彭文屹，陆磊，汤昌仁.Y2O3对再生WC-8Co硬质合金性能的影响.稀土，2014，35(1)：30-34)和文献3(羊建高，熊继.稀土添加剂对WC-Co硬质合金孔隙影响的研究.硬质合金，1994，01∶10-12)报道了通过添加稀土来提高硬质合金密度、强度和硬度。然而，稀土价格昂贵，导致硬质合金材料成本高，难以工业化应用。文献4(杨逸斐，王兴庆，黄英华，何宝山，郭海亮.超细硬质合金烧结方法与抑制剂的研究.上海有色金属，2004，25(4)：156-162)和文献5(吴恩熙，雷贻又.超细硬质合金中晶粒生长抑制剂的作用.硬质合金，2002，19(3)：136～139.)报道了通过添加VC、Cr3C2、TiC、ZrC、NbC、Mo2C、HfC和TaC等难熔碳化物来提高硬质合金的硬度、强度和韧性。然而，这些难熔碳化物的抗氧化性能与WC相当，不能提高硬质合金的抗氧化温度。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种抗氧化硬质合金材料。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种抗氧化硬质合金材料，所述抗氧化硬质合金材料由以下重量百分比的组分组成：1～20％粘结相，80％～99％硬质相，所述粘结相为NiCrAlY合金，其特征在于：所述硬质相由WC和SiAlCN组成，所述WC占所述抗氧化硬质合金材料的重量百分比为55％～97％，所述SiAlCN占所述抗氧化硬质合金材料的重量百分比为2％～25％。
优化地，所述粘结相中各元素的重量百分比为：Ni：43～74.5％，Cr：20～43％，Al：5～12％，Y：0.5～2％。
优化地，所述WC的粒度为1～1.5μm，所述SiAlCN的粒度为0.05～1μm，所述NiCrAlY的粒度为5～10μm。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明抗氧化硬质合金材料，通过向硬质相中加入精确含量的SiAlCN，从而与粘结相混合均匀后用于制作硬质合金工具，这样能够使硬质相具有较高的硬度和抗氧化性能，能够提高制得的硬质合金工具高温强度、硬度和韧性，SiAlCN在硬质合金工具高温使用过程中，能够在工具表面能够形成致密氧化物保护膜，抗氧化温度达到1500℃以上，并且抗硫化和抗各种介质腐蚀。
具体实施方式
本发明抗氧化硬质合金材料，所述抗氧化硬质合金材料由以下重量百分比的组分组成：1～20％粘结相，80％～99％硬质相，所述粘结相为NiCrAlY合金，其特征在于：所述硬质相由WC和SiAlCN组成，所述WC占所述抗氧化硬质合金材料的重量百分比为55％～97％，所述SiAlCN占所述抗氧化硬质合金材料的重量百分比为2％～25％。通过向硬质相中加入精确含量的SiAlCN，从而与粘结相混合均匀后用于制作硬质合金工具，这样能够使硬质相具有较高的硬度和抗氧化性能，能够提高制得的硬质合金工具高温强度、硬度和韧性，SiAlCN在硬质合金工具高温使用过程中，能够在工具表面能够形成致密氧化物保护膜，抗氧化温度达到1500℃以上，并且抗硫化和抗各种介质腐蚀。
粘结相中各元素的重量百分比优选为：Ni：43～74.5％，Cr：20～43％，Al：5～12％，Y：0.5～2％，此时NiCrAlY合金作为硬质合金粘结相，粘结相高温强度好，制得的硬质合金工具高温强度高、硬度高；使用过程中，暴露于介质环境下的NiCrAlY粘结相表面能够形成致密氧化铝保护膜，抗氧化温度达到1500℃以上，并且抗硫化和抗各种介质腐蚀，可在高温和恶劣的环境下工作。各合金粉末的粒度优选为：WC的粒度为1～1.5μm，SiAlCN的粒度为0.05～1μm，NiCrAlY的粒度为5～10μm，产生了意想不到的效果：有利于各成分的均匀混合，提高硬质合金工具的质量。
下面将对本发明优选实施方案进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种抗氧化硬质合金材料，用于制作硬质合金刀具，具体为：硬质相和粘结相的重量百分比分别为92％、8％；粘结相为NiCrAlY合金粉末，其中Ni、Cr、Al、Y元素的重量百分比分别为62％、30％、7％、1％；硬质相由WC合金粉末和SiAlCN合金粉末组成，WC、SiAlCN的重量百分比分别为80％、12％。将该抗氧化硬质合金材料制作成对应的合金刀具，具体方法为：将粒度为1.5μm的WC粉末、0.05μm的SiAlCN粉末和8μm的NiCrAlY粉末均匀混合，在150MPa冷压成型，于1460℃真空烧结硬质合金刀具材料样品。按GB3851-83，将其加工成尺寸为21mm×6.5mm×5.3mm试样，在Instron8032材料试验机上进行室温和700℃抗弯强度测试；再加工尺寸为10mm×6.5mm×5.3mm另一试样，试样表面经0.5μm金刚石研磨抛光，放入箱式电阻炉进行700℃、4h氧化增重试验，以及进行室温硬度测试；为了对比，将传统YG8硬质合金加工成相同尺寸进行相同试验。
实施例2
本实施例提供一种抗氧化硬质合金材料，用于制作硬质合金刀具，具体为：硬质相和粘结相的重量百分比分别为99％、1％；粘结相为NiCrAlY合金粉末，其中Ni、Cr、Al、Y元素的重量百分比分别为43％、43％、12％、2％；硬质相由WC合金粉末和SiAlCN合金粉末组成，WC、SiAlCN的重量百分比分别为97％、2％。将该抗氧化硬质合金材料制作成对应的合金刀具，具体方法为：将粒度为1μm的WC粉末、0.1μm的SiAlCN粉末和5μm的NiCrAlY粉末均匀混合，在200MPa冷压成型，于1470℃真空烧结硬质合金刀具材料样品。按GB3851-83，将其加工成尺寸为21mm×6.5mm×5.3mm试样，在Instron8032材料试验机上进行室温和700℃抗弯强度测试；再加工尺寸为10mm×6.5mm×5.3mm另一试样，试样表面经0.5μm金刚石研磨抛光，放入箱式电阻炉进行700℃、4h氧化增重试验，以及进行室温硬度测试。
实施例3
本实施例提供一种抗氧化硬质合金材料，用于制作硬质合金刀具，具体为：硬质相和粘结相的重量百分比分别为80％、20％；粘结相为NiCrAlY合金粉末，其中Ni、Cr、Al、Y元素的重量百分比分别为74.5％、20％、5％、0.5％；硬质相由WC合金粉末和SiAlCN合金粉末组成，WC、SiAlCN的重量百分比分别为55％、25％。将该抗氧化硬质合金材料制作成对应的合金刀具，具体方法为：将粒度为1μm的WC粉末、1μm的SiAlCN粉末和10μm的NiCrAlY粉末均匀混合，在150MPa冷压成型，于1470℃真空烧结硬质合金刀具材料样品。按GB3851-83，将其加工成尺寸为21mm×6.5mm×5.3mm试样，在Instron8032材料试验机上进行室温和700℃抗弯强度测试；再加工尺寸为10mm×6.5mm×5.3mm另一试样，试样表面经0.5μm金刚石研磨抛光，放入箱式电阻炉进行700℃、4h氧化增重试验，以及进行室温硬度测试。
实施例1至实施例3中抗氧化硬质合金材料、传统YG8硬质合金测得的数据见表1。可以看出，实施例1至3中合金材料制得的刀具硬度、强度均高于传统YG8硬质合金制得的样品硬度、强度；而且它们在700℃抗弯强度降低小于4％，700℃、4h氧化增重比传统YG8硬质合金低2个数量级以上。
表1实施例1-3抗氧化硬质合金材料与传统YG8硬质合金性能对比测试结果
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抗氧化硬质合金材料，所述抗氧化硬质合金材料由以下重量百分比的组分组成：1～20％粘结相，80％～99％硬质相，所述粘结相为NiCrAlY合金，其特征在于：所述硬质相由WC和SiAlCN组成，所述WC占所述抗氧化硬质合金材料的重量百分比为55％～97％，所述SiAlCN占所述抗氧化硬质合金材料的重量百分比为2％～25％。
2.根据权利要求1所述的抗氧化硬质合金材料，其特征在于：所述粘结相中各元素的重量百分比为：Ni：43～74.5％，Cr：20～43％，Al：5～12％，Y：0.5～2％。
3.根据权利要求1所述的抗氧化硬质合金材料，其特征在于：所述WC的粒度为1～1.5μm，所述SiAlCN的粒度为0.05～1μm，所述NiCrAlY的粒度为5～10μm。
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