CN108607999B - 多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法 - Google Patents

多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法，先预合金化处理得到WC‑Co、WC‑Ni、WC‑Fe预合金粉，再将三种粉末分别加成型剂压制成型，坯体材料按黏结剂组分排列并在层间铺展镍粉，送入快速热压烧结炉中烧结，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。

Description

多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及合金制备技术领域，特别涉及一种多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法。
背景技术
WC-Co基硬质合金材料与钢类材料较差的可焊性是制约其在冲压模具、刀具等领域的推广。传统的钎焊法难以保证焊缝的高温强度，机械安装弱化了材料整体强度。因此，发展一种新方法，用于提高硬质合金与钢的可焊性至关重要。
通过合理的结构及组分设计，在不减弱硬质合金刀具强度的前提下，改善硬质合金与钢的可焊性是提高焊缝高温强度的关键手段。
发明内容
本发明是针对常见手段难以保证硬质合金/焊缝高温强度问题的研发领域现状，提供一种多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将碳化钨粉与钴粉，碳化钨粉与镍粉，碳化钨粉与铁粉分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉；
2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理；
3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
作为本发明进一步改进，步骤1)中，碳化钨粉与钴粉质量比为(24～26)：1，碳化钨粉与镍粉质量比为(0.63～0.67)：1，碳化钨粉与铁粉质量比(0.22～0.25)：1。
作为本发明进一步改进，步骤1)中，预合金化处理的球磨机转速500～560转/分，球料比(4.2～5.6)：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
作为本发明进一步改进，步骤2)中，WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉加入的成型剂质量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％。
作为本发明进一步改进，步骤2)中，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa。
作为本发明进一步改进，步骤2)中，脱脂温度为320℃。
作为本发明进一步改进，步骤3)中，镍粉的铺设厚度为0.3～0.6mm。
作为本发明进一步改进，步骤3)中，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率110～130℃/分钟。
成形剂为SBS，加入量为混合粉质量的2％。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优势：
本发明先预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉，再将三种粉末分别加成型剂压制成型，坯体材料按黏结剂组分排列并在层间铺展镍粉，最后在快速热压烧结炉中烧结；其中硬质合金工作层为低钴组分，保证材料硬度和强度，过渡层采用镍、铁为黏结剂，可降低整体成本。层间用镍粉衔接可简化过渡层，进一步降低成本。快速烧结工艺可实现硬质合金的瞬时液相烧结，细化晶粒，保证强度。本发明制备的多层易焊大梯度硬质合金的工作层高温强度大于12740HV，焊缝高温强度大于1436MPa。在不减弱硬质合金刀具强度的前提下，改善硬质合金与钢的可焊性。
进一步，在制备多层易焊大梯度硬质合金材料过程中，本发明为解决已有硬质合金与钢可焊性差的问题，采用一种大梯度组分、结构优化方法，研究WC-Co、WC-Ni、WC-Fe的质量比、球磨工艺参数、镍粉层厚度、烧结工艺和硬质合金/钢焊缝强度的关系，即：对于多层易焊大梯度硬质合金，保持较高硬质合金强度和焊缝强度的最佳WC-Co、WC-Ni、WC-Fe的质量比、球磨工艺参数、镍粉层厚度和烧结工艺。此方法具有成分控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现硬质合金/钢焊缝的强韧化。
具体实施方式
本发明一种多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)将①碳化钨粉、钴粉，②碳化钨粉、镍粉，③碳化钨粉、铁粉分别按质量比(24～26)：1，(0.63～0.67)：1，(0.22～0.25)：1置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到三份预合金粉，球磨机转速500～560转/分，球料比(4.2～5.6)：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金；
(2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理，加入三种预合金粉的成型剂重量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa，脱脂温度为320℃；
(3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，镍粉的铺设厚度为0.3～0.6mm，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率110～130℃/分钟，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
以下实施例制备的多层易焊大梯度硬质合金的高温性能如表1所示。
实施例1
(1)将①碳化钨粉、钴粉，②碳化钨粉、镍粉，③碳化钨粉、铁粉分别按质量比25：1，0.64：1，0.23：1置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉，球磨机转速540转/分，球料比5.1：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金；
(2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理，加入三种预合金粉的成型剂重量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa，脱脂温度为320℃；
(3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，镍粉的铺设厚度为0.5mm，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率110℃/分钟，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
实施例2
(1)将①碳化钨粉、钴粉，②碳化钨粉、镍粉，③碳化钨粉、铁粉分别按质量比26：1，0.67：1，0.25：1置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉，球磨机转速550转/分，球料比5.6：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金；
(2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理，加入三种预合金粉的成型剂重量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa，脱脂温度为320℃；
(3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，镍粉的铺设厚度为0.6mm，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率130℃/分钟，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
实施例3
(1)将①碳化钨粉、钴粉，②碳化钨粉、镍粉，③碳化钨粉、铁粉分别按质量比24：1，0.63：1，0.22：1置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉，球磨机转速530转/分，球料比5.3：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金；
(2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理，加入三种预合金粉的成型剂重量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa，脱脂温度为320℃；
(3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，镍粉的铺设厚度为0.4mm，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率120℃/分钟，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
实施例4
(1)将①碳化钨粉、钴粉，②碳化钨粉、镍粉，③碳化钨粉、铁粉分别按质量比25：1，0.66：1，0.24：1置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉，球磨机转速500转/分，球料比5.0：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金；
(2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理，加入三种预合金粉的成型剂重量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa，脱脂温度为320℃；
(3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，镍粉的铺设厚度为0.4mm，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率120℃/分钟，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
实施例1～4制备多层易焊大梯度硬质合金材料的性能参数见表1所示：
表1
Figure BDA0001696769000000061
从上表可以得出，本发明制备的多层易焊大梯度硬质合金的工作层高温强度大于12740HV，焊缝高温强度大于1436MPa。
实施例5
(1)将①碳化钨粉、钴粉，②碳化钨粉、镍粉，③碳化钨粉、铁粉分别按质量比24：1，0.66：1，0.25：1置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉，球磨机转速550转/分，球料比4.4：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金；
(2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理，加入三种预合金粉的成型剂重量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa，脱脂温度为320℃；
(3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，镍粉的铺设厚度为0.45mm，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率115℃/分钟，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
实施例6
(1)将①碳化钨粉、钴粉，②碳化钨粉、镍粉，③碳化钨粉、铁粉分别按质量比24：1，0.65：1，0.23：1置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉，球磨机转速545转/分，球料比4.8：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金；
(2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理，加入三种预合金粉的成型剂重量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa，脱脂温度为320℃；
(3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，镍粉的铺设厚度为0.55mm，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率120℃/分钟，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
实施例7
(1)将①碳化钨粉、钴粉，②碳化钨粉、镍粉，③碳化钨粉、铁粉分别按质量比26：1，0.67：1，0.22：1置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉，球磨机转速560转/分，球料比4.8：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金；
(2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理，加入三种预合金粉的成型剂重量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％，压制力分别为270MPa、220MPa和200MPa，脱脂温度为320℃；
(3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，镍粉的铺设厚度为0.3mm，烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率130℃/分钟，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将碳化钨粉与钴粉、碳化钨粉与镍粉及碳化钨粉与铁粉分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉；
碳化钨粉与钴粉质量比为(24～26)：1，碳化钨粉与镍粉质量比为(0.63～0.67)：1，碳化钨粉与铁粉质量比(0.22～0.25)：1；
2)将三种预合金粉加入成型剂，分别装入冷压模具中，在双轴冷压机中压制成型，成型后坯体置于真空热处理炉中进行脱脂处理；
压制力分别为270MPa、220MPa和200Mpa；
成形剂为SBS，WC-Co、WC-Ni、WC-Fe预合金粉加入的成型剂质量百分比分别为2.2％、1.7％和1.3％；
3)将脱脂坯体按黏结组分百分比顺序装入组合石墨模具，坯体层间均匀铺展镍粉，在快速热压烧结炉中烧结，最终得到多层易焊大梯度硬质合金材料；
镍粉的铺设厚度为0.3～0.6mm；
烧结温度1320℃，保温15分钟，升/降温速率110～130℃/分钟。
2.如权利要求1所述的多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，预合金化处理的球磨机转速500～560转/分，球料比(4.2～5.6)：1，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
3.如权利要求1所述的多层易焊大梯度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，脱脂温度为320℃。
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