CN109136713A - 一种制备高强度高韧性WC-Co硬质合金的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备高性能WC‑Co硬质合金的方法，属于高性能材料领域。混合粉末组成为：Co：8‑11wt%，石墨烯粉末：0.5‑2.5wt%，余量为WC粉末（小于5μm）；将混合粉末按重量百分比称量后进行机械混匀处理，球磨时间10min‑24h，球磨机转速为30‑1400rmin^‑1；球料比为5:1‑20:1；将混合粉末冷压成型后烧结制备添加石墨烯的WC‑Co硬质合金，烧结温度1300‑1450℃，烧结压力为0‑60MPa，烧结时间为5‑120min。优点在于，通过上述方法可以使WC‑Co硬质合金的强度大幅改善，断裂韧性显著提高。

Description

一种制备高强度高韧性WC-Co硬质合金的方法

技术领域

本发明属于高性能新材料领域，提供了一种改善WC-Co硬质合金性能的方法，可以提高WC-Co硬质合金的强度和韧性。

背景技术

WC-Co硬质合金具有特殊的耐磨蚀性、高硬度、优良的断裂韧性和抗压强度，应用于耐磨蚀零件及结构部件、高压容器的柱塞、液缸、精密轧辊、合成金刚石的顶锤、钢丝滚轧机的轧辊等，在机械、冶金、切削工具、精密仪器、军工等领域占有极其重要的地位。高性能的刀具和工、模具的制备以及应用技术是现代制造业发展的共性关键技术之一。近年来随着电子、精密加工、医学、航天等行业的迅速发展，用户对提高加工效率和解决材料难加工以及精密模具制造等问题的出现，普通WC-Co硬质合金的性能已不能完全满足要求，人们便开始研究含有各种添加剂对硬质合金的性能和组织的影响。

添加剂对硬质合金性能的影响，在很多方面已被众多科学工作者所揭示，如添加剂可提高合金的耐磨性、抗冲击性、高温性能、切削性能等。所以说，研究含有各种添加剂的硬质合金是未来硬质合金发展的方向之一。

石墨烯以其在力、热、光、电和磁等方面具有的优异物化性能和独特的二维结构成为国内外材料领域的研究热点。其优异的物化性能，可明显提升石墨烯陶瓷复合材料的机械、电学与热学等性能，陶瓷的脆性、绝缘性等性质能得到完全改变，最终获得特殊的石墨烯陶瓷复合材料。因此在WC-Co硬质合金中添加石墨烯材料，可能会显示出比WC-Co硬质合金更优异的机械性能。

发明内容

本发明的内容在于添加一定含量的石墨烯粉末制备WC-Co硬质合金，提高WC-Co硬质合金的强度和韧性，抑制WC晶粒的长大。

本发明中涉及添加石墨烯的WC-Co硬质合金的一种制备方法，其混合粉末组成为：Co：8-11wt%，石墨烯粉末：0.5-2.5wt%，余量为晶粒尺寸为WC（小于5μm）；将混合粉末按重量百分比称量后进行机械合金化处理，球磨时间10min-24h，球磨机转速为 30-1400rmin^-1；球料比为5:1-20:1，球磨介质的加入量为高出装入球粉料表面的 5-10mm；将混合粉末冷压成型为致密度为50-70%的预成型坯，然后烧结制备含石墨烯的WC-Co硬质合金，烧结温度1300-1450℃，烧结压力为0-60MPa，烧结时间为5-120min，空冷至室温；随后对所得样品进行低压烧结处理，处理压力为5-10MPa。通过上述方法可以制备得到性能优异的WC-Co硬质合金。

在所述粉末成形之前对几种粉末颗粒进行机械合金化（高能球磨）操作，所述机械合金化（高能球磨）的设备可以是行星式球磨机、搅拌式球磨机、以及振动式球磨机。所述机械合金化（高能球磨）可以是干式，也可以是湿式，所述干式球磨是在保护气氛下进行，所述湿式球磨是采用有机物液体混合，所述机物液体包含乙醇、丙酮、石油醚等。通过所述机械合金化（高能球磨）处理，能够使原材料粉末颗粒发生变形、断裂与再结合，增大粉末颗粒的比表面积与内部的缺陷，从而增大原材料粉末颗粒的活化能量，由此能够促进烧结，提高烧结体的性能。具体地，能够使加入的粉末充分混匀，减少超细WC粉中较大的团聚体。行星式球磨机、搅拌式球磨机、以及振动式球磨机等机械合金化的设备，能够满足上述要求。所述干式球磨中的保护气氛与所述湿式球磨中的有机物液体，能够防止原材料粉末颗粒在球磨过程中的氧化与不良反应。

所述烧结包括常压烧结、减压或真空烧结、加压烧结、热压、热等静压、放电等离子体烧结、电火花烧结、微波烧结中的一种、两种或三种。通过上述方法可以制备WC-Co硬质合金；烧结是在保护气氛下进行，所述保护气氛是真空、氩气、氢气、氮气、分解氨等。采用保护气氛能够防止所述粉末在烧结过程中的氧化与不良反应。

本发明的优点在于，石墨烯粉末具有在力、热、光、电和磁等方面具有的优异物化性能和独特的二维结构，因此在WC-Co中添加石墨烯粒子，可以提高WC-Co硬质合金的强度和韧性及耐磨性，同普通WC-Co硬质合金相比，可以大大提高其使用寿命，产业化的应用前景广阔。

具体实施形式

下面说明本发明的实施形式。这些实施形式仅仅是为了加深对本发明的理解而举出的例子，当然不应该构成对本发明的限制。本发明的范围应该是权利要求中的内容。在不超越本发明的要旨的前提下，实施形式能够做多种多样的变更。这一点对于业内人士来说，应该能够理解。

实施例1：

原料：粒径为1μm的WC粉末、纯Co粉和粒径为500nm的石墨烯粉末质量比为89:10:1.0。

取上述配比的原料粉装入小型球磨罐中，加入酒精作为球磨介质。WC-Co硬质合金球作为磨球，球料比为20:1，依30r/min的转速，进行湿法滚式球磨24h。球磨完毕后，进行卸料。用99.99%酒精冲刷磨料，并采用不同粒径筛网进行过滤；将去酒精的物料放置在烘箱中，在90℃的环境下烘焙约30min，直至完全干燥。将配好的天然橡胶和汽油溶液掺入物料中，加以搅拌，烘干。在干燥后进行冷压成形。然后把压坯放入真空烧结炉进行烧结，先升温到400℃左右，保温1h以后保证脱胶。再经历为时2h的升温过程，升到1230 ℃保温30min，经1h升温过程，升温至1440℃烧结，保温2h，然后空冷至室温。制得的样品硬度为91.8HRA，抗弯强度为1763MPa，相比于同条件的不添加石墨烯粉末的硬质合金硬度和抗弯强度和断裂韧性都有所提高而晶粒尺寸较小。随后对所得样品进行低压烧结处理，处理压力为5MPa，所得样品孔隙全部消失，强度达2030Mpa，断裂韧性达15.3Mpa m1/2，综合性能得到大幅改善。

实施例2：

原料：粒径为0.2μm的WC粉末、纯Co粉和粒径为100nm的石墨烯粉末质量比为91.4:11:0.6。

取上述配比的原料粉装入小型球磨罐中，加入酒精作为球磨介质。WC-Co硬质合金球作为磨球，球磨机转速为 1400rmin^-1；球料比为10:1，球磨介质的加入量为高出装入球粉料表面的 5-10mm，采用三维振动高能球磨10min。球磨完毕后，进行卸料并筛网过滤后，在90℃的环境下烘焙约30min，直至完全干燥。在干燥后粉末放入石墨模具中，在放电等离子体烧结炉内进行烧结，施加压力40MPa，升温速度为100℃/min，升温到400℃左右，保温5min以后保证脱除水分等杂质。再升温到1300℃保温10min，然后水冷至室温。制得的样品达到全致密，硬度为92.7HRA，抗弯强度为2263MPa。随后对所得样品进行低压烧结处理，处理压力为8MPa，所得强度达2530Mpa，，断裂韧性达16.3Mpa m1/2，综合性能得到大幅改善。

上述实施形式仅仅是为了加深对本发明的理解而举出的例子，当然还能够做多种多样的变更。例如在上述实施例中所使用的烧结方法可以替换为热压烧结、热等静压、微波烧结等，能够取得与上述实施例同样或类似的效果。

Claims (3)

1.一种添加石墨烯粉的WC-Co硬质合金制备方法，其特征在于：混合粉末组成为： Co：6-11wt%，石墨烯：0.2-2.0wt%，余量为晶粒尺寸小于5μm WC；将混合粉末按重量百分比称量后进行机械混合处理，球磨时间10min-24h，球磨机转速为 30-1400rmin^-1；球料比为5:1-20:1，将混合粉末冷压成型后烧结制备WC-Co硬质合金，烧结温度1300-1450℃，烧结压力为0-60MPa，烧结时间为5-120min，通过上述方法可以制备得到性能优异的添加石墨烯的WC-Co硬质合金。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述的对混合粉末颗粒进行机械混合处理的设备为行星式球磨机、搅拌式球磨机或振动式球磨机；所述的球磨为干式球磨或湿式球磨，干式球磨是在保护气氛下进行；湿式球磨采用有机物液体混合，有机物液体包含乙醇、丙酮、石油醚或已烷。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的烧结方法包括常压烧结、低压或真空烧结、加压烧结、热压、热等静压、放电等离子体烧结、电火花烧结、微波烧结中的1～3种。