CN105132779A - 碳化钨基硬质合金以及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳化钨基硬质合金以及其制备方法。该碳化钨基硬质合金包括含有第一粘结剂的碳化钨基体，在碳化钨基体中间隔开分布有多个粒径不同的硬质颗粒，硬质颗粒的硬度大于碳化钨基体的硬度。根据本发明的碳化钨基硬质合金具有非常好的耐磨性和非常好的韧性。

Description

碳化钨基硬质合金以及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，特别涉及一种碳化钨基硬质合金。本发明还涉及这种碳化钨硬质合金的制备方法。

背景技术

碳化钨(即，WC)基硬质合金作为一种耐磨材料，具有高硬度、高韧性、高弹性模量、耐磨损和耐腐蚀等优异性能，广泛应用于切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀部件等领域。

在这种硬质合金的使用过程中，普遍关注的是其耐磨性和韧性。一方面，通过采用硬质合金中WC晶粒细化技术，使得WC的晶粒度不断减小，从而进一步提高了硬质合金的耐磨性；另一方面，通过WC晶粒粗化技术，使WC的晶粒度不断增大，从而进一步提高了硬质合金的韧性。硬质合金的超细化和超粗化技术已经取得了极大的成功，并且在一定程度上提高了硬质合金产品的使用寿命。

随着，碳化钨基硬质合金的使用范围越来越广泛，对其耐磨性和韧性的要求也越来越高。然而，上述方法却难以进一步提高碳化钨基硬质合金的耐磨性和韧性，这是由于随着WC晶粒的进一步细化，硬质合金的耐磨性在提高的同时，韧性显著降低；反之随着WC晶粒的进一步粗化，硬质合金的韧性增加，但其耐磨性显著下降。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种碳化钨基硬质合金。根据本发明的碳化钨基硬质合金具有非常好的耐磨性和非常好的韧性。

根据本发明的第一方面，提出了一种碳化钨基硬质合金，包括含有第一粘结剂的碳化钨基体，在碳化钨基体中间隔开分布有多个粒径不同的硬质颗粒，硬质颗粒的硬度大于碳化钨基体的硬度。

由于硬质颗粒的硬度大于碳化钨基体的硬度，因此在使用这种碳化钨硬质合金时，基体被快速磨损而使得硬质颗粒凸出到基体的表面之外。而这些硬质颗粒的粒径不同，使得从微观上看硬质合金的表面与所接触的材料表面之间为锯齿状或波浪状接触，使得硬质合金能非常高效地刻划该材料的表面，由此提高了硬质合金的耐磨性。此外，碳化钨基体的硬度小于硬质颗粒的硬度意味着碳化钨基体的韧性大于硬质颗粒的韧性。这样，即使实施刻划的硬质颗粒出现裂纹，这些裂纹也不能穿过碳化钨基体，而是裂纹扩展的能量被碳化钨基体吸收。由此，根据本发明的硬质合金具有良好的韧性。

在一个实施例中，硬质颗粒由具有第一粒径的第一类硬质颗粒和具有第二粒径的第二类硬质颗粒组成，第一粒径与第二粒径的比值在1:5到1:7之间。由于第一类硬质颗粒的粒径小于第二类硬质颗粒的粒径，因此第一类硬质颗粒能够填充在第二类硬质颗粒的间隙之间。由此，在碳化钨基体内铺满了硬质颗粒，这有助于提高该硬质合金的耐磨性。第一类硬质颗粒的硬度大于第二类硬质颗粒的硬度。第二类硬质颗粒硬度根据所加工材料的性能进行选择，第一类硬质颗粒进一步提高碳化钨基硬质合金硬度和耐磨性，同时第一类硬质颗粒粒径小于第二类硬质颗粒粒径，小粒径第一类硬质颗粒可以填充在大粒径的第二类硬质颗粒的间隙中，有效地提高了材料的堆垛密度。

在一个具体的实施例中，第一类硬质颗粒包括碳化钨和第二粘结剂，第二类硬质颗粒包括碳化钨和第三粘结剂，第一粘结剂在碳化钨基体中的重量含量大于第二粘结剂在第一类硬质颗粒中的重量含量，第二粘结剂在第一类硬质颗粒中的重量含量大于第三粘结剂在第二类硬质颗粒中的重量含量。通过调节碳化钨基体、第一类硬质颗粒和第二类硬质颗粒中的粘结剂的含量和晶粒度的大小，就可以实现碳化钨基体、第一类硬质颗粒和第二类硬质颗粒不同的硬度，这方便精确控制碳化钨基体、第一类硬质颗粒的硬度和第二类硬质颗粒的硬度。

例如，第一粘结剂、第二粘结剂和第三粘结剂均为钴。钴在碳化钨基体中的重量含量在7-40％之间，钴在第一类硬质颗粒中的重量含量在6-13％之间，钴在第二类硬质颗粒中的重量含量在5-12％之间，优选地，钴在碳化钨基体中的重量含量在10-30％之间，钴在第一类硬质颗粒中的重量含量在8-13％之间，钴在第二类硬质颗粒中的重量含量在5-10％之间。这样，第一类硬质颗粒的粒径远小于第一类硬质颗粒的粒径，并且第一类硬质颗粒的钴含量略微大于第二类硬质颗粒的钴含量。这使得第一类硬质颗粒的硬度大于第二类硬质颗粒的硬度。优选地，以洛氏硬度计，第一类硬质颗粒的硬度和第二类硬质颗粒的硬度的差在1到3之间，第二类硬质颗粒的硬度与碳化钨基体的硬度的差在2到10之间。

从整体来看，以重量计，碳化钨基硬质合金包括5-20％的钴和80-95％的碳化钨，余量为不可避免的杂质。钴在碳化钨中的分布不同，因而形成了含有较高量的钴的碳化钨基体，含有较低量的钴和碳化钨的第二类硬质颗粒，和含有最低量的钴和碳化钨的第一类硬质颗粒。由此，碳化钨基体、第一类硬质颗粒、第二类硬质颗粒的原材料相同，仅成分的含量不同。这简化了制备这种碳化钨基硬质合金的配料过程。此外，由于原材料相同，第一类硬质颗粒、第二类硬质颗粒与基体的界面错配度也较低，这有助于提高该硬质合金的韧性和耐磨性。

在一个优选的实施例中，碳化钨基体的重量含量为10-30％之间，第一类硬质颗粒的重量含量为18-24％之间，第二类硬质颗粒的重量含量为52-66％之间。例如，碳化钨基体的重量含量为20％，第一类硬质颗粒的重量含量为21％，第二类硬质颗粒的重量含量为59％。两种颗粒粒径不同，小颗粒填充大颗粒间隙，有利于提高填充密度；两种颗粒硬度不同，磨损速度不同，有利于保持工作面锋利。

根据本发明的第二方面，提出了制备根据上文所述的碳化钨基硬质合金的方法，第一粘结剂为钴，硬质颗粒由具有第一硬度和第一粒径的第一类硬质颗粒和具有第二硬度和第二粒径的第二类硬质颗粒组成，所述方法包括，将碳化钨粉体与钴均匀混合，并制备成第一类颗粒，将碳化钨粉体与钴均匀混合，并制备成第二类颗粒，将碳化钨粉体与钴均匀混合，并制备成基体浆料，使第一类颗粒的表面和第二类颗粒的表面都携带一层基体浆料而形成单元体团粒，将多个单元体团粒进行热压烧结，而得到碳化钨基硬质合金，第一类颗粒的表面和第二类颗粒的表面上的基体浆料形成碳化钨基硬质合金的基体，第一类颗粒形成第一类硬质颗粒，第二类颗粒形成第二类硬质颗粒，其中，第一类硬质颗粒中钴的重量含量大于第二类硬质颗粒中钴的含量，第二类硬质颗粒中钴的重量含量小于基体浆料中钴的重量含量。

在一个实施例中，第一类硬质颗粒的粒径小于第二类硬质颗粒的粒径。根据这种方法，由于第一类硬质颗粒的粒径小于第二类硬质颗粒的粒径，因此由第一类硬质颗粒形成的单元团粒的粒径也小于由第二类硬质颗粒形成的单元团粒的粒径。在将多个单元团粒进行热压烧结时，小粒径的单元团粒可以填充在大粒径的单元团粒的间隙中，由此有效地提高了单元团粒的堆垛密度，这可以有效避免在烧结时硬质合金内出现气孔，从而提高了所制备的硬质合金的密度。在一个实施例中，第一类硬质颗粒的粒径为10-20μm，第二类硬质颗粒的粒径为75-150μm。

在一个实施例中，热压烧结的温度为1320℃到1350℃之间，压力在80MPa到100MPa之间。根据这种方法，热压烧结的温度低于钴的融化温度和碳化钨的融化温度，因此实际上是固相烧结。在这种烧结过程中，钴原子的扩散趋势非常小，因此所制备的硬质合金的基体、第一类硬质颗粒、第二类硬质颗粒中钴原子的含量几乎分别与初始基体浆料、第一类颗粒、第二类颗粒中的钴原子的含量相同，因此可确保第一类硬质颗粒、第二类硬质颗粒以及基体的硬度不同。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)在使用根据本发明的硬质合金时，基体被快速磨损而使得硬质颗粒凸出到基体的表面之外，使得从微观上看硬质合金的表面与所接触的材料表面之间为锯齿状或波浪状接触，使得硬质合金能非常高效地刻划该材料的表面，由此提高了硬质合金的耐磨性。(2)碳化钨基体的硬度小于硬质颗粒的硬度意味着碳化钨基体的韧性大于硬质颗粒的韧性。这样，即使实施刻划的硬质颗粒出现裂纹，这些裂纹也不能穿过碳化钨基体，而是裂纹扩展的能量被碳化钨基体吸收。由此，根据本发明的硬质合金具有良好的韧性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的碳化钨基硬质合金的第一试样D#金相照片。

图2显示了根据本发明的碳化钨基硬质合金的第二试样H#金相照片。

图3显示了根据本发明的碳化钨基硬质合金的第三试样L#金相照片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

制备第一类第一类颗粒形成所述第一类硬质颗粒，所述第二类颗粒形成所述第二类硬质颗粒颗粒。将WC粉体与Co粉体以重量比90:10均匀混合，然后在1400℃下烧结。将烧结产物破碎后，过筛得到粒径在10-20μm的第一类颗粒。

制备第二类颗粒。将WC粉体与Co粉体以重量比94:6均匀混合，然后在1400℃下烧结。将烧结产物破碎后，过筛得到粒径在70-120μm的第二类颗粒。

制备基体料浆。将WC粉体与Co粉体以重量比4:1均匀混合，得到基体料浆。

将第一类颗粒和第二类颗粒投入所制备的基体料浆中。以重量计，基体浆料含量为20％，第一类颗粒含量为21％，第二类颗粒的含量为59％。第一类颗粒和第二类颗粒的表面上携带有基体料浆，由此形成了单元体团粒。

将多个单元体团粒压制成产品。然后，采用热等静压烧结，烧结温度1320℃，压力为80MPa。保温60分钟后，制备成碳化钨基硬质合金第一试样D#。第一类颗粒的表面和第二类颗粒的表面上的基体浆料形成碳化钨基硬质合金的基体C#，第一类颗粒和第二类颗粒分别形成第一类硬质颗粒A#和第二类硬质颗粒B#。图1显示了第一试样D#的金相照片，其中浅色网状部分为基体，深色团状部分为硬质颗粒。还根据该金相照片计算了第一类硬质颗粒A#、第二类硬质颗粒B#以及基体C#的重量含量，这种计算方法是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。对第一试样D#的力学性能进行了测试，表1显示了测试结果。在表1中，HRA：洛氏硬度，K_IC：断裂韧性。

表1

实施例2：

制备第一类颗粒。将WC粉体与Co粉体以重量比92:8均匀混合，然后在1400℃下烧结。将烧结产物破碎后，过筛得到粒径在10-20μm的第一类颗粒。

制备第二类颗粒。将WC粉体与Co粉体以重量比94:6均匀混合，然后在1400℃下烧结。将烧结产物破碎后，过筛得到粒径在70-120μm的第二类颗粒。

制备基体料浆。将WC粉体与Co粉体以重量比4:1均匀混合，得到基体料浆。

将第一类颗粒和第二类颗粒投入所制备的基体料浆中。以重量计，基体浆料含量为10％，第一类颗粒含量为24％，第二类颗粒的含量为66％。第一类颗粒和第二类颗粒的表面上携带有基体料浆，由此形成了单元体团粒。

将多个单元体团粒压制成产品。然后，采用热等静压烧结，烧结温度1330℃，压力为85MPa。保温60分钟后，制备成碳化钨基硬质合金第二试样H#。第一类颗粒的表面和第二类颗粒的表面上的基体浆料形成碳化钨基硬质合金的基体G#，第一类颗粒和第二类颗粒分别形成第一类硬质颗粒E#和第二类硬质颗粒F#。图2显示了第二试样H#的金相照片，其中浅色网状部分为基体，深色团状部分为硬质颗粒。还根据该金相照片计算了第一类硬质颗粒E#、第二类硬质颗粒F#以及基体G#的重量含量，这种计算方法是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。对第二试样H#的力学性能进行了测试，表2显示了测试结果。在表2中，HRA：洛氏硬度，K_IC：断裂韧性。

表2

实施例3：

制备第一类颗粒。将WC粉体与Co粉体以重量比92:8均匀混合，然后在1400℃下烧结。将烧结产物破碎后，过筛得到粒径在10-20μm的第一类颗粒。

制备第二类颗粒。将WC粉体与Co粉体以重量比94:6均匀混合，然后在1400℃下烧结。将烧结产物破碎后，过筛得到粒径在70-120μm的第二类颗粒。

制备基体料浆。将WC粉体与Co粉体以重量比84:16均匀混合，得到基体料浆。

将第一类颗粒和第二类颗粒投入所制备的基体料浆中。以重量计，基体浆料含量为10％，第一类颗粒含量为24％，第二类颗粒的含量为66％。第一类颗粒和第二类颗粒的表面上携带有基体料浆，由此形成了单元体团粒。

将多个单元体团粒压制成产品。然后，采用热等静压烧结，烧结温度1340℃，压力为95MPa。保温60分钟后，制备成碳化钨基硬质合金第三试样L#。第一类颗粒的表面和第二类颗粒的表面上的基体浆料形成碳化钨基硬质合金的基体K#，第一类颗粒和第二类颗粒分别形成第一类硬质颗粒I#和第二类硬质颗粒J#。图3显示了第三试样L#的金相照片，其中深色网状部分为基体K#，浅色团状部分为硬质颗粒。还根据该金相照片计算了第一类硬质颗粒I#、第二类硬质颗粒J#以及基体K#的重量含量，这种计算方法是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。对第三试样L#的力学性能进行了测试，表3显示了测试结果。在表3中，HRA：洛氏硬度，K_IC：断裂韧性。

表3

对比例1：

制备对比材料M#。根据现有技术中的方法，将WC粉体与Co粉体以重量比90.5:9.5混合，球磨，喷雾干燥，压制，然后在1400℃下烧结，制备对比试样M#。M#性能见表4。对第四试样M#的力学性能进行了测试，表4显示了测试结果。在表4中，HRA：洛氏硬度，K_IC：断裂韧性。此外，在表4中还列出了实施例1到实施例3得到的试样的测试结果。

表4

从表4中可看出：根据本发明的碳化钨基硬质合金的硬度HRA、耐磨性以及断裂韧性均高于根据现有技术制备的碳化钨基硬质合金。即，根据本发明的碳化钨基硬质合金具有非常好的耐磨性和非常好的韧性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种碳化钨基硬质合金，包括含有第一粘结剂的碳化钨基体，在所述碳化钨基体中间隔开分布有多个粒径不同的硬质颗粒，所述硬质颗粒的硬度大于所述碳化钨基体的硬度。

2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述硬质颗粒由具有第一粒径的第一类硬质颗粒和具有第二粒径的第二类硬质颗粒组成，

其中，所述第一粒径与所述第二粒径的比值在1:5到1:7之间。

3.根据权利要求2所述的合金，其特征在于，所述第一类硬质颗粒的硬度大于所述第二类硬质颗粒的硬度。

4.根据权利要求2或3所述的合金，其特征在于，所述第一类硬质颗粒包括碳化钨和第二粘结剂，所述第二类硬质颗粒包括碳化钨和第三粘结剂，所述第一粘结剂在所述碳化钨基体中的重量含量大于所述第二粘结剂在所述第一类硬质颗粒中的重量含量，所述第二粘结剂在所述第一类硬质颗粒中的重量含量大于所述第三粘结剂在所述第二类硬质颗粒中的重量含量。

5.根据权利要求4所述的合金，其特征在于，所述第一粘结剂、第二粘结剂和第三粘结剂均为钴。

6.根据权利要求5所述的合金，其特征在于，所述钴在所述碳化钨基体中的重量含量在7-40％之间，所述钴在第一类硬质颗粒中的重量含量在6-13％之间，所述钴在第二类硬质颗粒中的重量含量在5-12％之间，优选地，所述钴在所述碳化钨基体中的重量含量在10-20％之间，所述钴在第一类硬质颗粒中的重量含量在8-13％之间，所述钴在第二类硬质颗粒中的重量含量在5-10％之间。

7.根据权利要求6所述的合金，其特征在于，在所述合金中，所述碳化钨基体的重量含量为10-30％之间，所述第一类硬质颗粒的重量含量为18-24％之间，所述第二类硬质颗粒的重量含量为52-66％之间。

8.一种制备根据权利要求1到7中任一项所述的碳化钨基硬质合金的方法，所述第一粘结剂为钴，所述硬质颗粒由具有第一硬度和第一粒径的第一类硬质颗粒和具有第二硬度和第二粒径的第二类硬质颗粒组成，所述方法包括，

将碳化钨粉体与钴均匀混合，并制备成第一类颗粒，

将碳化钨粉体与钴均匀混合，并制备成第二类颗粒，

将碳化钨粉体与钴均匀混合，并制备成基体浆料，

使所述第一类颗粒的表面和第二类颗粒的表面都携带一层所述基体浆料而形成单元体团粒，

将多个单元体团粒进行热压烧结而得到所述碳化钨基硬质合金，所述第一类颗粒的表面和第二类颗粒的表面上的基体浆料形成所述碳化钨基硬质合金的基体，所述第一类颗粒形成所述第一类硬质颗粒，所述第二类颗粒形成所述第二类硬质颗粒，

其中，所述第一类硬质颗粒中钴的含量大于所述第二类硬质颗粒中钴的含量，所述第二类硬质颗粒中钴的含量小于所述基体浆料中钴的含量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热压烧结的温度为1320℃到1350℃之间，压力在80MPa到100MPa之间。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述第一类硬质颗粒的粒径小于所述第二类硬质颗粒的粒径。