CN109136710A

CN109136710A - 一种硬质合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109136710A
Application number: CN201811073122.8A
Authority: CN
Inventors: 郭伟
Original assignee: Changsha Zhongxinda Tools Co Ltd
Current assignee: Changsha Zhongxinda Tools Co Ltd
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2019-01-04
Anticipated expiration: 2038-09-14
Also published as: CN109136710B

Abstract

本发明提供了一种硬质合金，所述硬质合金包括硬质相、粘结相和硬质合金固溶体，所述硬质合金固溶体为六元固溶体(W，Ti，Ta，Nb，Zr)C，(W，Ti，Ta，Nb，Zr)C中ZrC:NbC为(1:3)～(1:2)。本发明还提供了含有上述固溶体的硬质合金及硬质合金的制备方法。相比现有技术添加各种不同的粉末碳化物合金添加剂，本发明所提供的硬质合金，其固溶体为含有所需合金元素的固溶体，避免了分别添加不同碳化物时会产生的误差以及各种不同添加剂可能带入的杂质，提高了硬质合金的性能，本发明硬质合金所用的固溶体中，采用价格相对低廉的WC、TiC、NbC和ZrC部分替代TaC，解决了现有技术中，大量添加TaC价格高的问题。

Description

一种硬质合金及其制备方法

技术领域

本发明属于硬质合金技术领域，具体涉及一种硬质合金及其制备方法。

背景技术

先进制造技术对人类科学技术的发展起着至关重要的推动作用，机械加工技术作为先进制造技术中的重要组成部分，逐渐朝着更加柔性、更加高效、更加精密的方向发展，高速切削技术是先进制造技术的最重要的加工工艺之一。具有高硬度、高耐磨性和高化学稳定性等特性的先进刀具材料是先进切削加工技术应用的技术基础，也是切削加工领域研究的重要方向。

WC-Co硬质合金作为重要的耐磨材料，被广泛地应用于切削刀具、模具、耐磨密封件以及矿山和石油采掘工具等众多需要高耐磨性的领域，被誉为“工业的牙齿”。该合金是以高硬度、高弹性模量的金属碳化物WC为硬质相，以过渡金属族元素Co为粘结相，采用粉末冶金工艺经液相烧结制成的材料。由于WC硬质相的高硬度、高耐磨性以及Co对WC良好的润湿性，以Co为粘结剂进行液相烧结而成的WC-Co硬质合金除了耐磨性好以外，还具有强度高、硬度高和弹性模量高等一系列优异的综合力学性能。

现有技术中，为了进一步提高硬质合金的的物理力学性能，尤其是为了改善硬质合金的切削性能，常加入一些碳化钽(TaC)含量较高的碳化物，如(W、Ti、Ta)C。TaC具有优良的物理化学和高温结构性能，在硬质合金、切削刀具及航空航天材料领域具有广泛的应用。然而，由于Ta属于稀有金属，价格昂贵，添加了大量TaC的硬质合金材料的成本很高，其推广应用受到限制。

发明内容

为解决现有技术中，为改善材料的切削性能而添加了大量TaC的硬质合金成本高的问题，本发明的目的之一是提供一种硬质合金。

本发明的目的之二是提供上述硬质合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种硬质合金，所述硬质合金包括以下质量百分比计的组分：

硬质相 60～80％，

粘结相 6～15％，

余量为硬质合金固溶体，所述硬质合金固溶体为六元固溶体(W，Ti，Ta，Nb，Zr)C。

优选地，所述硬质相为WC粉，所述粘结相为Co粉。

进一步优选地，所述WC粉的粒度为1～3μm，所述Co粉的粒度为0.8～1.2μm。

优选地，所述(W，Ti，Ta，Nb，Zr)C中ZrC与NbC的质量比为(1:3)～(1:2)。

优选地，所述六元固溶体包括以下质量百分比计的组分：

WC 30～50％，

TiC 5～20％，

TaC 1～15％，

NbC 15～30％，

ZrC 10～20％。

优选地，所述硬质合金固溶体的粒度为1.5～3.0μm。

上述硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤包括：

(1)按配比称取所述硬质相、粘结相和硬质合金固溶体，混合后球磨；

(2)向步骤(1)球磨后的混合料中加入成型剂，经干燥、制粒和压制得到坯体；

(3)脱除坯体中的成型剂后，烧结即得所述硬质合金。

优选地，步骤(1)中，所述球磨操作中，球料比为(3～3.5):1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为36～48h。

优选地，所述成型剂为聚乙二醇。

优选地，步骤(3)中，所述烧结的温度为1450～1500℃。

碳化钨(WC)，是一种由钨和碳组成的化合物，为黑色六方晶体，有金属光泽，硬度与金刚石相近，为电、热的良好导体，WC不溶于水、盐酸和硫酸，易溶于硝酸－氢氟酸的混合酸中，纯的碳化钨易碎，掺入少量钛、钴等金属，能减少脆性。用作钢材切割工具的碳化钨，常加入碳化钛、碳化钽或它们的混合物，以提高抗爆能力。

碳化钛(TiC)为浅灰色，属于立方晶系，不溶于水，与盐酸、硫酸几乎不起化学反应，能够溶解于王水、硝酸以及氢氟酸中，还可溶于碱性氧化物的溶液中。

碳化钽(TaC)是浅棕色金属状立方结晶粉末，属于氯化钠型立方晶系，对抑制晶粒长大有明显效果，不溶于水，难溶于无机酸，能溶于氢氟酸和硝酸的混合酸中并可分解。抗氧化能力强，易被焦硫酸钾熔融并分解。用于粉末冶金、切削工具、精细陶瓷、化学气相沉积、硬质耐磨合金刀具、工具、模具和耐磨耐蚀结构部件的添加剂，提高合金的韧性。

碳化铌(NbC)为带紫蓝色光的灰白粉末，溶于酸，不溶于硝酸和氢氟酸的混合物，不溶于水，常与碳化钨和碳化钽配合制超级硬质合金。

碳化锆(ZrC)为暗灰色有金属光泽的立方晶体，性脆，不溶于冷水和盐酸，可溶于含有硝酸或双氧水的氢氟酸和热浓硫酸。

本发明与现有技术的区别在于，本发明所采用的硬质合金添加剂为固溶体形式，制备硬质合金时只需将固溶体与硬质相和粘结相混合即可。而现有技术中，硬质合金添加剂通常为多种不同的碳化物合金粉末，在制备合金时，需要分别加入不同的碳化物合金粉末添加剂，如TiC粉末、TaC粉末、ZrC粉末等，然而，分别加入各种不同的添加剂，一方面，针对不同的添加剂需要分开称重，而多次称重会导致误差的积累，最终影响添加剂总量的准确度；另一方面，各种添加剂的纯度不同，加入多种添加剂，难以控制最终产品的纯度，易使最终产品中含有较多的杂质。而本发明硬质合金的添加剂为固溶体的形式，可以根据硬质合金的性能需求，将需要添加的各种元素提前制备成固溶体，在制备硬质合金时只需要添加固溶体一种物质即可，避免了多次称量会产生的误差以及各种不同添加剂可能带入的杂质。此外，固溶体中多种碳化物的使用也减少了TaC的含量，降低了材料的成本。

其中，固溶体的制备方法为：

(1)将WC、TiC、TaC、NbC和ZrC按比例(30～50)：(5～20)：(1～15)：(15～30)：(10～20)混合，然后加入炭黑粉末，得六元混合物粉末，其中，所述炭黑粉末占五元混合物粉末总重量的5～12％；

(2)将六元混合物粉末压制成直径为55～65mm，高度为45～55mm的料坯；

(3)将料坯放入石墨舟皿内，在1600～1800℃、H₂气氛条件下碳化还原，得固溶体粉末；

(4)将固溶体粉末于真空环境中，-0.03～-0.05MPa、1800～2000℃条件下真空碳化提纯2～4h，得六元硬质合金用固溶体。

本发明的有益效果

1、相比现有技术添加各种不同的粉末碳化物合金添加剂，本发明所提供的硬质合金，其中含有所需合金元素的固溶体，避免了分别添加不同碳化物时会产生的误差以及各种不同添加剂可能带入的杂质，提高了硬质合金的性能；

2、本发明硬质合金所用的固溶体中，采用价格相对低廉的WC、TiC、NbC和ZrC部分替代TaC，解决了现有技术中，大量添加TaC价格高的问题；

3、本发明提供的硬质合金力学性能优于现有技术的WC-Co合金。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本例提供了三种硬质合金固溶体(W，Ti，Ta，Nb，Zr)C，编号分别为1～3，具体配比如表1所示。

表1本发明实施例1的三种硬质合金固溶体成分表

固溶体成分/编号	1	2	3
				WC/％	30	50	50
TiC/％	20	5	20
				TaC/％	15	15	1
NbC/％	30	25	19
				ZrC/％	5	5	10

本例还提供了固溶体的制备方法，具体为：

(1)将WC、TiC、TaC、NbC和ZrC按表1中的比例混合，然后加入炭黑粉末，得六元混合物粉末，其中，所述炭黑粉末占五元混合物粉末总重量的5～12％；

实施例2

本例提供了四种硬质合金，编号分别为A～D，四种硬质合金均采用实施例1中的3号硬质合金。具体配比如表2所示。

表2 A～D本发明实施例2的四种硬质合金成分表

合金成分/编号	A	B	C	D
					WC粉/％	60	80	70	80
Co粉/％	6	15	10	6
					3号合金硬质合金固溶体/％	34	5	20	14

表2中WC粉的粒度为2μm，Co粉的粒度为1μm。

本例还提供了硬质合金的制备方法，步骤包括：

(1)按表2中的配比称取各组分，混合后球磨；

(3)脱除步骤(2)所得坯体中的成型剂后，坯体在高温下烧结即得成品。

步骤(1)所述球磨的球料比为3:1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为42h，步骤(2)所述成型剂为聚乙二醇，在真空-氢气脱蜡烧结炉中脱除步骤(2)所得坯体中的成型剂，烧结的温度为1450～1500℃。

对比例1

本例提供了三种硬质合金固溶体(W，Ti，Ta，Nb，Zr)C，编号分别为4～6，具体配比如表3所示。

表3本发明对比例1的三种硬质合金固溶体成分表

固溶体成分/编号	4	5	6
				WC/％	32	35	34
TiC/％	20	15	15
				TaC/％	15	0	1
NbC/％	30	30	30
				ZrC/％	3	20	20

对比例2

本例提供了三种硬质合金，编号分别为E、F和G，三种硬质合金均含有70％的WC粉和10％的Co粉，三种硬质合金中分别依次含有20％的4号、5号和6号硬质合金固溶体，制备方法与实施例2的制备方法相同，三种硬质合金的成分如表4所示。

表4本发明对比例2的三种硬质合金成分表

表4中WC粉的粒度为2μm，Co粉的粒度为1μm。

对比例3

本例以四元固溶体(W，Ti，Ta)C生产的硬质合金H作为对比，H中含有80％的WC粉和6％的Co粉，以及14％的(W，Ti，Ta)C，制备方法与实施例2的制备方法相同。

对比例4

本例参考实施例1中3号硬质合金固溶体的成分，向70％的WC粉和10％的Co粉中，加入总量为20％的WC、TiC、TaC、NbC和ZrC粉末的混合物，混合物中，WC的质量百分含量为50％，TiC为20％，TaC为1％，NbC为19％，ZrC为10％，采用实施例2的方法制备得到硬质合金I。

检测例

本例先测试了硬质合金A～I的抗弯强度及硬度，然后将各硬质合金制备成相同的刀片SNMG140412，经过钝化刀片刃口，涂上传统的中温CVD氧化铝涂层(TiCN—Al₂O₃)，加工热处理后的轴承钢进行切削试验后得到切削寿命系数，结果为如表5所示。

表5硬质合金与切削试验结果

此外，相同的切削条件下，材料D制成的刀片比材料H制成的刀片耐磨性高一倍，硬质合金C与硬质合金I虽然原料含量相同，然而，添加剂以固溶体形式加入制得的硬质合金C，与添加剂以各碳化物的粉末形式加入制得的硬质合金I相比，硬质合金C的抗弯强度和硬度明显提升，制备成刀片后切削寿命系数提高近50％。

相比现有技术添加各种不同的粉末碳化物合金添加剂，本发明所提供的硬质合金，其中含有所需合金元素的固溶体，避免了分别添加不同碳化物时会产生的误差以及各种不同添加剂可能带入的杂质，提高了硬质合金的性能。本发明硬质合金所用的固溶体中，采用价格相对低廉的WC、TiC、NbC和ZrC部分替代TaC，解决了现有技术中，大量添加TaC价格高的问题。本发明提供的硬质合金耐磨性等多项力学性能优于现有技术的WC-Co合金。

Claims

1.一种硬质合金，其特征在于，所述硬质合金包括以下质量百分比计的组分：

硬质相 60～80％，

粘结相 6～15％，

2.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述硬质相为WC粉，所述粘结相为Co粉。

3.根据权利要求2所述的硬质合金，其特征在于，所述WC粉的粒度为1～3μm，所述Co粉的粒度为0.8～1.2μm。

4.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述(W，Ti，Ta，Nb，Zr)C中ZrC与NbC的质量比为(1:3)～(1:2)。

5.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述六元固溶体包括以下质量百分比计的组分：

WC 30～50％，

TiC 5～20％，

TaC 1～15％，

NbC 15～30％，

ZrC 10～20％。

6.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述硬质合金固溶体的粒度为1.5～3.0μm。

7.根据权利要求1～6任一项所述硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤包括：

(3)脱除坯体中的成型剂后，烧结即得所述硬质合金。

8.根据权利要求7所述硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨操作中，球料比为(3～3.5):1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为36～48h。

9.根据权利要求7所述硬质合金的制备方法，其特征在于，所述成型剂为聚乙二醇。

10.根据权利要求7所述硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结的温度为1450～1500℃。