CN107245626B - 一种高熵效应增强(W,Ti,V)C-Co硬质合金力学性能的方法 - Google Patents

一种高熵效应增强(W,Ti,V)C-Co硬质合金力学性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高熵效应增强(W,Ti,V)C‑Co硬质合金力学性能的方法，步骤如下：a)将WC、Co、VC、TiC粉末按比例混合，其中VC、TiC的摩尔百分比相等，加料、混料过程中不可避免地会混入极少量杂质；b)利用球磨方法制备高熵的(W,Ti,V)C颗粒；c)运用高熵的(W,Ti,V)C颗粒做为增强相，抑制硬质合金烧结过程中硬质相颗粒的长大，细化晶粒，增强力学性能。本发明对WC‑Co硬质合金的性能改善明显，且工艺简单、可操作性强，成本较低。

Description

一种高熵效应增强(W,Ti,V)C-Co硬质合金力学性能的方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金及硬质合金技术领域，具体是指一种高熵效应增强(W,Ti,V)C-Co硬质合金力学性能的方法。
背景技术
研究显示TiC的硬度比WC的高，因而使得WC-TiC-Co硬质合金的硬度普遍高于WC-Co硬质合金的硬度，而且在WC-TiC-Co硬质合金中含有(Ti，W)C固溶体，使合金强化，因而在高温下软化较慢同时具有较高的抗月牙坑磨损能力，能提高刀具的使用寿命。但是WC-TiC-Co硬质合金韧性有待进一步提高。
WC-Co硬质合金中添加VC，可以细化WC晶粒，起到细晶强化的作用。WC-Co硬质合金的硬度、强度、韧性和耐磨性都有所提升。烧结过程中VC优先溶解在粘结相中，明显降低了WC在钴中的溶解度，减缓了WC通过液相再结晶长大速率。VC吸附在WC颗粒表面，降低了WC的表面能，VC沿WC/WC界面偏析，阻碍了WC界面的迁移，防止WC颗粒的发生聚集长大。
国内外大量研究表明添加VC、TiC等粒径抑制剂可有效抑制WC晶粒生长，从而得到性能优异的无粘结相硬质合金。但由于TiC的韧性较低，烧结体的韧性会随着TiC含量的增加而减少，因此，寻求合适的WC、VC、TiC加入量是目前研究的热点。
利用本发明对VC、TiC的加入量进行调控，生产出的硬质合金性能优异，无论是硬度还是韧性都较未添加VC、TiC的WC-Co硬质合金提升明显。
发明内容
本发明在于在操作简单和相对低廉的成本的基础上，提供一种高熵效应增强(W,Ti,V)C-Co硬质合金力学性能的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高熵效应增强(W,Ti,V)C-Co硬质合金力学性能的方法，步骤如下：
a)将WC、Co、VC、TiC粉末按比例混合，其中VC、TiC的摩尔百分比相等，加料、混料过程中不可避免地会混入极少量杂质；
b)利用球磨方法制备高熵的(W,Ti,V)C颗粒；
c)运用高熵的(W,Ti,V)C颗粒做为增强相，抑制硬质合金烧结过程中硬质相颗粒的长大，细化晶粒，增强力学性能。
所述的(W,Ti,V)C-Co硬质合金制备步骤如下：
步骤1、物料混合：将WC、VC、TiC、Co粉末按比例混合，使VC、TiC的摩尔百分比相等，再加入粉末总质量的0.5％～1.5％的成型剂；
步骤2、球磨混料：湿磨，以乙醇或丙酮为介质，并采取惰性气体保护或真空；
步骤3、粉末干燥及压制成型：将步骤2球磨后的粉末干燥后，以20～80MPa压力压制成型，保压5～20min；
步骤4、将步骤3制好的压坯先加热至300～600℃脱除成型剂，再加热至1200℃～1600℃烧结，并采取惰性气体保护或真空。
步骤1中，所述成型剂为聚乙二醇，石蜡，橡胶中的一种。
有益效果：
本发明对WC-Co硬质合金的性能改善明显，制得(W,Ti,V)C-Co硬质合金不论是硬度还是断裂韧性均较未添加VC、TiC的WC-Co硬质合金有较大提升，其维氏硬度最高达到1920HV，利用压痕法测得其断裂韧性最高达到9.97Mpa m1/2，且工艺简单、可操作性强，成本较低。且工艺简单、可操作性强，成本较低。
附图说明
图1为本发明制备的未添加VC和TiC的硬质合金扫描电镜图片；
图2为本发明制备的WC、VC、TiC摩尔比为98：1：1的硬质合金扫描电镜图片；
图3为本发明制备的WC、VC、TiC摩尔比为96：2：2的硬质合金扫描电镜图片；
图4为本发明制备的WC、VC、TiC摩尔比为94：3：3的硬质合金扫描电镜图片；
图5为本发明制备的WC、VC、TiC摩尔比为92：4：4的硬质合金扫描电镜图片；
图6为利用压痕法测硬质合金韧性的压痕和裂纹图片；
图7为不同WC、VC、TiC含量，通过本发明制得的硬质合金的硬度和韧性折线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
(1)将WC、VC、TiC粉末以摩尔比98：1：1混合，再加入粉末总质量的8％Co粉末和1％的聚乙二醇，物料中不可避免的会混入微量杂质；
(2将混合好的物料加入球磨罐中，将混合料与磨球按照球料比10:1混合，按照每千克料加入1000ml乙醇。密封球磨罐，先抽真空然后充入氩气，再抽真空后充入氩气，如此重复多次，然后以250rpm的转速球磨50小时；
(3)将步骤(2)球磨后的粉末干燥后，以60MPa压力压制成型，保压2min；
(4)将步骤(3)制好的压坯放置于烧结炉中，通氩气保护，以10℃/min升温到600℃，保温30min，以5℃/min升温到1200℃，保温30min，再以5℃/min升温到1380℃，保温1h，随炉冷却到室温。
实施例2
(1)将WC、VC、TiC粉末以摩尔比96：2：2混合，再加入粉末总质量的8％Co粉末和1％的聚乙二醇，物料中不可避免的会混入微量杂质；
(2将混合好的物料加入球磨罐中，将混合料与磨球按照球料比10:1混合，按照每千克料加入1000ml乙醇。密封球磨罐，先抽真空然后充入氩气，再抽真空后充入氩气，如此重复多次，然后以250rpm的转速球磨50小时；
(3)将步骤(2)球磨后的粉末干燥后，以40MPa压力压制成型，保压2min；
(4)将步骤(3)制好的压坯放置于烧结炉中，通氩气保护，以10℃/min升温到600℃，保温30min，以5℃/min升温到1200℃，保温30min，再以5℃/min升温到1380℃，保温1h，随炉冷却到室温。
实施例3
(1)将WC、VC、TiC粉末以摩尔比94：3：3混合，再加入粉末总质量的8％Co粉末和1％的聚乙二醇，物料中不可避免的会混入微量杂质；
(2将混合好的物料加入球磨罐中，将混合料与磨球按照球料比10:1混合，按照每千克料加入1000ml乙醇。密封球磨罐，先抽真空然后充入氩气，再抽真空后充入氩气，如此重复多次，然后以250rpm的转速球磨50小时；
(3)将步骤(2)球磨后的粉末干燥后，以40MPa压力压制成型，保压2min；
(4)将步骤(3)制好的压坯放置于烧结炉中，通氩气保护，以10℃/min升温到600℃，保温30min，以5℃/min升温到1200℃，保温30min，再以5℃/min升温到1380℃，保温1h，随炉冷却到室温
实施例4
(1)将WC、VC、TiC粉末以摩尔比92：4：4混合，再加入粉末总质量的8％Co粉末和1％的聚乙二醇，物料中不可避免的会混入微量杂质；
(2将混合好的物料加入球磨罐中，将混合料与磨球按照球料比10:1混合，按照每千克料加入1000ml乙醇。密封球磨罐，先抽真空然后充入氩气，再抽真空后充入氩气，如此重复多次，然后以250rpm的转速球磨50小时；
(3)将步骤(2)球磨后的粉末干燥后，以40MPa压力压制成型，保压2min；
(4)将步骤(3)制好的压坯放置于烧结炉中，通氩气保护，以10℃/min升温到600℃，保温30min，以5℃/min升温到1200℃，保温30min，再以5℃/min升温到1380℃，保温1h，随炉冷却到室温。
对制得的硬质合金进行打磨抛光，利用全自动维氏硬度仪测量其硬度和韧性，载荷均为10kg。如图6所示，压痕成规则的菱形，且四角均有向外延伸的裂纹，利用公式KIC＝0.203×HV×a2×c-1/2(a：对角线长度之和的一半(mm)，c：对角线和裂纹长度之和的一半(mm))计算其断裂韧性。利用扫描电镜对硬质合金晶粒进行观察。
细化硬质合金的晶粒，减小硬质相尺寸，可以增大硬质相晶粒表面积，增强晶粒间的结合力，同时粘结相更均匀地分布在其周围，可提高硬质合金的硬度、韧性、耐磨性、抗弯强度和抗崩刃性。WC晶粒在1微米左右的合金称为细晶粒硬质合金，小于1微米而在0.5微米左右的合金称为纳米晶粒硬质合金。在钴含量不变的情况下，当硬质合金的晶粒尺寸小于1微米时，会出现双高特性，即硬度和强度均会获得较大的提高，而且这一特性随着晶粒的细化而变得更加突出。VC、TiC的加入均能细化WC晶粒，起到细晶强化的作用，且TiC硬度比WC高，能进一步提高其硬度。由图1～图5可得添加VC、TiC后WC-Co硬质合金晶粒尺寸明显降低，且粒度趋于均匀化，达到纳米级别。由图7可得添加VC、TiC后的硬质合金其硬度和韧性均较未添加VC、TiC的WC-Co硬质合金有较大提升，其维氏硬度最高达到1920HV，断裂韧性最高达到9.97Mpa m1/2，本发明对WC-Co硬质合金的性能改善明显。
本发明中，所使用的成型剂除了可以使用聚乙二醇以外，还可以用石蜡或橡胶替代。

Claims (1)

1.一种高熵效应增强(W,Ti,V)C-Co硬质合金力学性能的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、物料混合：将WC、VC、TiC、Co粉末按比例混合，使VC、TiC的摩尔百分比相等，再加入粉末总质量的0.5%~1.5%的成型剂，加料、混料过程中不可避免地会混入极少量杂质；
步骤2、球磨混料：利用球磨方法，湿磨，以乙醇或丙酮为介质，并采取惰性气体保护或真空，制备高熵的(W,Ti,V)C颗粒；
步骤3、粉末干燥及压制成型：将步骤2球磨后的粉末干燥后，以20~80MPa压力压制成型，保压5~20min；
步骤4、将步骤3制好的压坯以 10℃/min 升温到 600℃，保温 30min，以 5℃/min 升温到 1200℃，保温 30min，再以 5℃/min 升温到 1380℃，保温 1h，并采取惰性气体保护或真空；
运用高熵的(W, Ti, V)C颗粒做为增强相，抑制硬质合金烧结过程中硬质相颗粒的长大，细化晶粒，增强力学性能。
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