CN107267836A - 一种双晶硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硬质合金技术领域。一种双晶硬质合金，包括如下质量百分比的配方组分：直径在1.5～2.0微米之间的碳化钨及钨金属的混合物A25～35%，直径为3.2～3.7微米之间的碳化钨及钨金属的混合物B50～60%，钴粉10～13%，碳化铬粉0.8～1.5%，稀土氧化物粉0.15～0.5%。本发明同时包括了上述的一种双晶硬质合金的制备方法：将过量钨粉与碳黑混合，经碳化后得碳化钨及钨金属的混合物；将碳化钨及钨金属的混合物过筛，再进行混合配料和球磨，烘干后得到球磨产物；将球磨产物压制成型得到坯料；对坯料进行烧结，冷却后得到产品。本发明的双晶硬质合金具有具备有高韧性、高强度，高耐磨性和高耐腐蚀性。

Description

一种双晶硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金技术领域，具体而言涉及一种双晶硬质合金及其制备方法。
背景技术
WC-Co硬质合金因其高的硬度、耐磨性和横向断裂强度，在切削工具、模具、矿山工具及耐磨零部件等领域获得广泛应用。一般来说制备高硬度和高耐磨性的硬质合金，基本上以牺牲硬质合金的断裂韧性来达到要求的，通常合金的组织结构愈细，硬度愈高，耐磨性愈好；而强度随之降低，脆性增大，焊接性能变差。相反，合金的结构愈粗，则抗弯强度愈高，抗冲击性能愈好，而耐磨性、硬度会相应降低。在硬质合金制品的使用过程中，常常要求合金制品同时具有好的韧性和好的耐磨性。而具有特殊的双晶组织结构的硬质合金，可同时具有高强度、高韧性、高耐磨性等优良综合性能。
目前，对于双晶结构硬质合金材质的开发已经有一定的基础。传统的制备双晶硬质合金的方法主要是以一定比例的亚微米尺度的WC粉和微米尺度的WC粉与Co粉进行球磨混合，随后烧结获得双晶结构的硬质合金块体；或者在WC和Co的混合粉末中添加板状晶的W粉，以在烧结后的合金中获得双晶组织的WC-Co硬质合金。这些制备方法中普遍存在着晶粒容易快速生长导致粗大WC晶粒的数量和尺寸难以控制，使得硬质合金块体的强度和断裂韧性不能达到要求，而且目前的双晶硬质合金耐腐蚀性不强，无法满足在生产过程中电加工的需求。
申请公布号为CN 102212731A的发明专利公开了一种兼具高强度和高韧性的双晶硬质合金的工业化制备方法，包括以下步骤：按照双晶硬质合金中Co含量，将WO2.9、Co3O4和炭黑进行球磨混合、冷压成坯块；在真空炉中制备WC-Co复合粉；以无水乙醇或己烷为介质进行球磨；烘干得到WC-Co复合粉末；在氩气保护下进行粉末团聚预处理，以5～8℃/min升温至650～950℃，并保温30～60min；每千克粉料加入30～80ml聚乙二醇成型剂，进行模压成型；将模压成型的粉末坯料进行烧结，烧结方式为真空烧结或低压烧结。该方案的缺点是(1)该方案是利用原位反应合成方法调控相应参数制备出具有团聚WC颗粒的WC-Co复合粉，因此有可能得到的WC-Co的粉末存在过大或过小颗粒混杂在其中的情况，有可能会影响双晶硬质合金的结构，降低合金的韧性和强度；(2)由于细颗粒WC的表面能较高，混合湿磨后，在液相烧结过程中容易发生粘附在粗WC晶粒上的发生异常生长的现象，造成合金组织容易出现超粗WC晶粒，降低了合金的强度、韧性和耐磨性等性能，而且该方案获得的双晶硬质合金也缺乏耐腐蚀性。因此，目前需要一种具有高韧性、高强度，高耐磨性且耐腐蚀的双晶硬质合金。
发明内容
为了解决双晶硬质合金制备过程中存在的晶粒容易快速生长影响双晶硬质合金性能，且缺乏具有较高耐腐蚀性的双晶硬质合金的问题，提供一种具有高韧性、高强度，高耐磨性且耐腐蚀的双晶硬质合金及其制备方法。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种双晶硬质合金，其特征在于，包括如下质量百分比的配方组分：
直径在1.5～2.0微米之间的碳化钨及钨金属的混合物A占25～35％，
直径为3.2～3.7微米之间的碳化钨及钨金属的混合物B占50～60％，
钴粉占10～13％，
碳化铬粉占0.8～1.5％，
稀土氧化物粉占0.15～0.5％。
本发明采用直径在1.5～2.0微米和直径在3.2～3.7微米之间的碳化钨及钨金属的混合物作为原料，这两种大小的碳化钨及钨金属的混合物作为原料制作出的合金性能良好符合生产要求，通过先过筛的操作可以保证原料直径符合要求，从而提高双晶硬质合金块材料的质量。
作为优选，所述的稀土氧化物为氧化铈。
本发明在原料中加入了氧化铈粉，氧化铈明显改善了合金的性能，可以提高合金的耐磨性，韧性，同时也提高了合金的耐腐蚀能力，而且在双晶硬质合金中加入了氧化铈后还起到维持双晶结构的作用，使用氧化铈后解决了双晶结构中细颗粒WC粘附在粗WC晶粒上的发生异常生长破坏双晶结构导致合金性能降低的问题。本发明还通过用碳化铬取代传统工艺中所用的金属铬作为原料来提高原料中的含碳量，防止氧化铈中氧元素对于硬质合金的脱碳作用，防止在烧结过程产生的产品开裂等问题，此外氧化铈用量极少，可以减少稀土聚合物的产生，保证合金的结构稳定以保证合金的抗弯强度和耐腐蚀性。
作为优选，所述的混合物A和混合物B的含碳量为6～7wt％。
一种双晶硬质合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将过量钨粉与碳黑混合，经碳化后获得碳化钨及钨金属的混合物；
(2)将所述的碳化钨及钨金属的混合物过筛，得到混合物A和混合物B；
(3)将所述的混合物A与所述的钴粉，碳化铬粉，稀土氧化物粉进行混合配料，得到复合粉；
(4)对所述的复合粉进行球磨，然后加入混合粉B继续球磨，烘干后得到球磨产物；
(5)将球磨产物压制成型得到坯料；
(6)对所述的坯料进行烧结，冷却后得到产品。
作为优选，在所述的步骤(4)的球磨过程为先加入复合粉球磨6～18小时，然后加入混合物B继续球磨18～30小时。
作为优选，在球磨过程中采用无水乙醇作为球磨介质，以WC-Co硬质合金球为研磨体。
作为优选，在球磨过程中球料比为2：1～6：1，固液比为1：4～1：6。
在球磨过程中，本发明采用了分批次球磨的方法，先加入步骤(3)得到的复合粉球磨，可以使添加剂充分分散，进一步减少了各种副产物的产生，提高合金的性能，然后加入混合物B，可以防止粗颗粒的混合物B由于球磨时间过长导致晶粒变细，保护双晶结构的稳定。
作为优选，在所述的步骤(6)中，烧结温度为1200～1500摄氏度，保温时间为90～180分钟，待炉内自然冷却后得到产品。
本发明的有益作用在于：(1)本发明的双晶硬质合金具有耐腐蚀的优点(2)本发明的双晶硬质合金具有稳定的双晶结构，使其具备有高韧性、高强度，高耐磨性(3)本发明所提供的方法过程简单，操作性强。
具体实施方式
下面对本发明的优选具体实施方式进行详细描述：
实施例1
一种双晶硬质合金，原料包括如下组分：
直径在1.5～2.0微米之间的碳化钨及钨金属的混合物A66.1kg，
直径为3.2～3.7微米之间的碳化钨及钨金属的混合物B100.1kg，
钴粉占24.6kg，
碳化铬粉2.5kg
氧化铈粉0.4kg。
在制备上述的一种双晶硬质合金时采取如下制备方法：
(1)将844.71kg钨粉与55.92kg碳黑混合，经碳化后获得碳化钨及钨金属的混合物；
(2)将所述的碳化钨及钨金属的混合物过筛，得到混合物A和混合物B；
(3)称取混合物A66.1kg与钴粉24.6kg，碳化铬粉2.5kg，氧化铈粉0.4kg进行混合配料，得到复合粉；
(4)采用无水乙醇作为球磨介质，以WC-Co硬质合金球为研磨体，球料比为4：1，固液比为1：5，先加入复合粉球磨12小时，然后加入混合物B100.1kg继续球磨24小时，烘干后得到球磨产物；
(5)将球磨产物压制成型得到坯料；
(6)对所述的球磨产物烧结，烧结温度为1430摄氏度，保温时间为115分钟，待炉内自然冷却后得到产品。
实施例2
一种双晶硬质合金，原料包括如下组分：
直径在1.5～2.0微米之间的碳化钨及钨金属的混合物A60.9kg，
直径为3.2～3.7微米之间的碳化钨及钨金属的混合物B113.1kg，
钴粉占23.6kg，
碳化铬粉2.4kg
氧化铈粉0.3kg。
在制备上述的一种双晶硬质合金时采取如下制备方法：
(1)将844.71kg钨粉与55.92kg碳黑混合，经碳化后获得碳化钨及钨金属的混合物；
(2)将所述的碳化钨及钨金属的混合物过筛，得到混合物A和混合物B；
(3)称取混合物A113.1kg与钴粉23.6kg，碳化铬粉2.4kg，氧化铈粉0.4kg进行混合配料，得到复合粉；
(4)采用无水乙醇作为球磨介质，以WC-Co硬质合金球为研磨体，球料比为4：1，固液比为1：5，先加入复合粉球磨12小时，然后加入混合物B60.9kg继续球磨24小时，烘干后得到球磨产物；
(5)将球磨产物压制成型得到坯料；
(6)对所述的球磨产物烧结，烧结温度为1430摄氏度，保温时间为115分钟，待炉内自然冷却后得到产品。
实施例3
一种双晶硬质合金，原料包括如下组分：
直径在1.5～2.0微米之间的碳化钨及钨金属的混合物A69.6kg，
直径为3.2～3.7微米之间的碳化钨及钨金属的混合物B100.2kg，
钴粉占25.8kg，
碳化铬粉2.9kg
氧化铈粉0.5kg。
在制备上述的一种双晶硬质合金时采取如下制备方法：
(1)将844.71kg钨粉与55.92kg碳黑混合，经碳化后获得碳化钨及钨金属的混合物；
(2)将所述的碳化钨及钨金属的混合物过筛，得到混合物A和混合物B；
(3)称取混合物A69.6kg与钴粉25.8kg，碳化铬粉2.9kg，氧化铈粉0.5kg进行混合配料，得到复合粉；
(4)采用无水乙醇作为球磨介质，以WC-Co硬质合金球为研磨体，球料比为4：1，固液比为1：5，先加入复合粉球磨12小时，然后加入混合物B100.2kg继续球磨24小时，烘干后得到球磨产物；
(5)将球磨产物压制成型得到坯料；
(6)对所述的球磨产物烧结，烧结温度为1430摄氏度，保温时间为115分钟，待炉内自然冷却后得到产品。
实施例4
一种双晶硬质合金，原料包括如下组分：
直径在1.5～2.0微米之间的碳化钨及钨金属的混合物A50.1kg，
直径为3.2～3.7微米之间的碳化钨及钨金属的混合物B116.2kg，
钴粉占24.7kg，
碳化铬粉2.8kg
氧化铈粉0.4kg。
在制备上述的一种双晶硬质合金时采取如下制备方法：
(1)将844.71kg钨粉与55.92kg碳黑混合，经碳化后获得碳化钨及钨金属的混合物；
(2)将所述的碳化钨及钨金属的混合物过筛，得到混合物A和混合物B；
(3)称取混合物A113.1kg与钴粉23.6kg，碳化铬粉2.4kg，氧化铈粉0.4kg进行混合配料，得到复合粉；
(4)采用无水乙醇作为球磨介质，以WC-Co硬质合金球为研磨体，球料比为4：1，固液比为1：5，先加入复合粉球磨12小时，然后加入混合物B60.9kg继续球磨24小时，烘干后得到球磨产物；
(5)将球磨产物压制成型得到坯料；
(6)对所述的球磨产物烧结，烧结温度为1430摄氏度，保温时间为115分钟，待炉内自然冷却后得到产品。
通过将所有实施所得性能最优的一种双晶硬质合金B和未添加氧化铈但采用相同工艺流程所制备的双晶硬质合金A进行性能检测，结果如下：
通过实验数据我们可以清楚地看出加入了本发明获得的合金的强度、韧性及耐磨性获得了极大的提升，而且硬度和密度基本不变，加入氧化铈可以改善双晶硬质合金的性能。
对合金A和合金B的耐腐蚀性进行对比检测：
将合金A和合金B放入含有10％NaOH的溶液中，在室温下放置280小时，进行碱腐蚀后将合金A和合金B取出洗涤干燥后秤量，得到如下结果，合金A的腐蚀量X为0.00013，合金B的腐蚀量X为0.00025。
将合金A和合金B放入含有10％HCl的溶液中，在室温下放置280小时，进行碱腐蚀后将合金A和合金B取出洗涤干燥后秤量，得到如下结果，合金A的腐蚀量X为0.0007，合金B的腐蚀量X为0.001。
腐蚀量X通过以下方程计算X＝Δm/m
Δm为腐蚀后减少的质量，m为原来的总质量
通过腐蚀量的数据可以看出加入了氧化铈之后双晶合金的耐酸腐蚀性和耐碱腐蚀性均有提升，可以满足工业中电加工的需要。
下表为该实施例所得的双晶硬质合金的性能检测结果：
通过本发明得到的双晶硬质合金对于目前的工业生产要求来看不管是在强度耐磨性还是韧性方面都大幅度超过了质量标准，性能优异，同时密度与硬度也符合目前的工业生产标准，总体而言本发明提供的一种双晶硬质合金可以满足目前的质量标准要求。

Claims (8)

1.一种双晶硬质合金，其特征在于，包括如下质量百分比的配方组分：
直径在1.5～2.0微米之间的碳化钨及钨金属的混合物A占25～35%，
直径为3.2～3.7微米之间的碳化钨及钨金属的混合物B占50～60%，
钴粉占10～13%，
碳化铬粉占0.8～1.5%，
稀土氧化物粉占0.15～0.5%。
2.根据权利要求1所述的一种双晶硬质合金，其特征在于：所述的稀土氧化物为氧化铈。
3.根据权利要求1所述的一种双晶硬质合金，其特征在于：所述的混合物A和混合物B的含碳量为6～7wt%。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种双晶硬质合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将过量钨粉与碳黑混合，经碳化后获得碳化钨及钨金属的混合物；
(2)将所述的碳化钨及钨金属的混合物过筛，得到混合物A和混合物B；
(3)将所述的混合物A与所述的钴粉，碳化铬粉，稀土氧化物粉进行混合配料，得到复合粉；
(4)对所述的复合粉进行球磨，然后加入混合粉B继续球磨，烘干后得到球磨产物；
(5)将球磨产物压制成型得到坯料；
(6)对所述的坯料进行烧结，冷却后得到产品。
5.根据权利要求4所述的一种双晶硬质合金的制备方法，其特征在于：在所述的步骤（4）的球磨过程为先加入复合粉球磨6～18小时，然后加入混合物B继续球磨18～30小时。
6.根据权利要求4所述的一种双晶硬质合金的制备方法，其特征在于：在球磨过程中采用无水乙醇作为球磨介质，以WC-Co 硬质合金球为研磨体。
7.根据权利要求4所述的一种双晶硬质合金的制备方法，其特征在于：在球磨过程中球料比为2：1～6：1，固液比为1：4～1：6。
8.根据权利要求4所述的一种双晶硬质合金的制备方法，其特征在于： 在所述的步骤（6）中，烧结温度为1200～1500摄氏度，保温时间为90～180分钟，待炉内自然冷却后得到产品。
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