CN109355522A - 一种新型硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的新型硬质合金，通过对钴粉、镍粉和铁粉、硅胶，碳粉、钨粉和钛粉、硼粉、镱粉的科学配比，真空高温高压成型，制备的硬质合金具有良好的硬度和韧性，适合各领域材料的加工使用，加工中不易出现粘刀和难切削的问题，且刀具使用寿命长。本发明选用真空高温高压成型结合方式制备硬质合金，能有效控制硬质合金的各个原料的结合和晶体结构，得到综合性能优良的硬质合金。

Description

一种新型硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金工艺，特别是硬质合金，更具体地，涉及一种新型硬质合金及其制备方法。
背景技术
硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，被誉为“工业牙齿”，广泛用于刀具材料、机械加工、航空航天、高压高温试验等领域。国内市场上普遍应用的硬质合金硬度可达HRA86～93，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍保持高硬度，耐磨性较差。
传统硬质合金是以Co、Ni、Fe单质元素为粘结相、以WC为硬质相。随着使用温度的升高，特别是在400℃以上，Co、Ni、Fe单质元素为粘结相和WC硬质相开始发生氧化，导致传统硬质合金抗弯强度、硬度等性能显著降低，高温使用寿命也显著降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型硬质合金及其制备方法，本发明的硬质合金将：钴粉、镍粉和铁粉、硅胶，碳粉、钨粉和钛粉、硼粉、镱粉的科学配比，通过真空高温高压成型，制备的硬质合金具有良好的硬度和韧性，适合各领域材料的加工使用，加工中不易出现粘刀和难切削的问题，且刀具使用寿命长。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
公开的新型硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：钴粉、镍粉和铁粉15～30份、硅胶3.0～5.0份，碳粉15～30份、钨粉和钛粉30～60份、硼粉3.0～5.0份、镱粉2.0～4.0份，除渣剂、球化剂2.0～4.0份，成型剂5.0～8.0份；其中，钴粉、镍粉和铁粉的质量比为1:1～1.5：1～2，钨粉和钛粉的质量比为2:1～3。
进一步地，所述钴粉的粒径为8.0～15μm，所述镍粉的粒径为2～3μm，所述铁粉的粒径为3.0～5.0μm，所述碳粉的粒径为8.0～12.0μm，所述钨粉的粒径为2.0～5.0μm，所述钛粉的粒径为5.0～10μm，所述镱粉的粒径为5.0～10nm，所述硼粉的粒径12～20μm。
本新型硬质合金真空状态下，加温到2800℃以上，使碳与钨、钛发生反应，得到碳化钨和碳化钛，缓慢降温此时碳化钨和碳化钛由熔体变为固体颗粒，将硼粉、镱粉的加入，主要是为了提高材料的韧性，细化晶粒，硼粉主要起提高耐磨性能和硬度，与碳化钨、碳化硅一起，作为分散相，提供硬度、耐高温性能和耐磨性能。镱主要起细化晶粒，抑制析出，提高粘结强度等作用。
传统的硬质合金制备选用碳化钨粉末和碳化钛粉末做原料，需要先进行制备或购买碳化钨粉末和碳化钛粉末，再将上述粉末与钴粉、镍粉等原料一起混合，高温烧结成硬质合金；因为生产高质量硬质合金制品，必须严格控制合金中的总碳。虽然影响硬质合金制品总碳因素很多，但在碳化钨原材料品质稳定的情况下，成形剂的应用对产品总碳的影响是一个非常重要的方面。成本较高，制备受碳化钨原材料的影响因素大，烧结过程中的WC晶粒难以控制，很难保持原有碳化钨粉末的粒度，进而制备的硬质合金产品的质量稳定性难以控制，影响后续使用。本申请采用碳粉，钨粉，钛粉为主要原料，添加铁粉，镍粉、钴粉等原料，不但省去了碳化钨粉末和碳化钛粉末的繁杂的制备工序，且碳化钨的质量能有效控制，能得到细晶组织的硬质合金。
钴粉、镍粉、铁粉作为粘结剂，在不同温度阶段生成不同晶体(包括冷却速度)，相互协同作用，作为合金材料的连续相，减少硬质合金在工作时的掉块、崩缺等现象，保证加工质量。为合金材料提供韧性、弯矩、剪切强度和团聚度。通过后期温度冷却曲线控制，可以控制钴和铁的晶体结构，达到控制材料强度的目的；得到的硬质合金具有良好的韧性和强度，使用领域广泛。
进一步地，所述钴粉的粒径为8.0～15μm，所述镍粉的粒径为2～3μm，所述铁粉的粒径为3.0～5.0μm，所述碳粉的粒径为8.0～12.0μm，所述钨粉的粒径为2.0～5.0μm，所述钛粉的粒径为5.0～10μm，所述镱粉的粒径为5.0～10nm，所述硼粉的粒径12～20μm。
进一步地，所述硅胶的孔容为0.60～0.85ml/g，平均孔径为4.5～7.0nm，比表面为450～650m2/g。
本发明公开上述硬质合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1.将上述硬质合金原料加入球磨机，并注入球磨介质后混合1.0～3.0h，然后进行真空干燥；其中球磨比为4～6：1；所述真空干燥的真空度为-0.1～0.2Pa，干燥温度为400～550℃，干燥时间为0.8～1.5h；
S2.将干燥好的材料放入捏合机中，保持温度250～280℃，密炼2～3h，然后模压成块；将料块在真空状态下，加温到2800～3000℃，保持2.0～2.5h进行烧结；
S3.缓慢降温到1300～1500℃，保温1.0～1.5h，同时外加超声波作用，超声波强度2.0～3.0KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到950～1000℃，保温0.5～1.0h；然后急速冷却到700～750℃，保温1.0～2.0h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
本发明的硬质合金的制备方法是按照原料的特性进行科学调整，真空高温高压成型结合，能有效控制硬质合金的各个原料的结合和晶体结构，得到综合性能优良的硬质合金。
进一步地，所述除渣剂主成分为二氧化硅和三氧化二铝，所述二氧化硅含量75％～78％，所述三氧化二铝含量15％～18％，余量为微量元素和杂质。
进一步地，所述成型剂为橡胶、聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯和聚乙二醇的任意一种。
进一步地，所述步骤S2的烧结为阶段性升温，具体步骤为：
A.预热阶段：将温度升到600～800℃，升温速率为60～75℃/min，保温0.5～0.8min；
B.低温烧结阶段：将温度升到1500～1600℃，升温速率为110～130℃/min，保温2.0～2.5min；
C.高温烧结阶段：将温度升到2800～3000℃，升温速率为140～150℃/min，保温1.5～2.0min。
进一步地，所述步骤S3的缓慢降温的冷却速度为8～10℃/min，所述快速冷却的冷却速度为20～30℃/min，所述急速冷却的冷却速度为40～50℃/min。
进一步地，所述球磨机用球磨介质为无水乙醇，转速为150～180r/min。
进一步地，所述烧结在氮气的保护气氛下进行。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的新型硬质合金，通过对钴粉、镍粉和铁粉、硅胶，碳粉、钨粉和钛粉、硼粉、镱粉的科学配比，真空高温高压成型，制备的硬质合金具有良好的硬度和韧性，适合各领域材料的加工使用，加工中不易出现粘刀和难切削的问题，且刀具使用寿命长。
本发明的硬质合金制备方法简单易行，可方便用于大批量生产。
具体实施方式
以下结合说明书和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本实施例所用的原料和设备均为本技术领域常规市购的原料和设备。
实施例1
本实施例的新型硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：通过以下原料制备得到：钴粉、镍粉和铁粉30份、硅胶3.0份，碳粉30份、钨粉和钛粉60份、硼粉3.0份、镱粉2.0份，除渣剂、球化剂4.0份，成型剂5.0份；其中，钴粉、镍粉和铁粉的质量比为1:1：1，钨粉和钛粉的质量比为2:1。
其中，钴粉的粒径为8.0～15μm，镍粉的粒径为2～3μm，铁粉的粒径为3.0～5.0μm，碳粉的粒径为8.0～12.0μm，钨粉的粒径为2.0～5.0μm，钛粉的粒径为5.0～10μm，镱粉的粒径为5.0～10nm，硼粉的粒径12～20μm。成型剂为橡胶。
本实施例的新型硬质合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1.将上述硬质合金原料加入球磨机，并注入球磨介质后混合1.0h，然后进行真空干燥；球磨机用球磨介质为无水乙醇，转速为150～180r/min，其中球磨比为4：1；所述真空干燥的真空度为-0.1～0.2Pa，干燥温度为400℃，干燥时间为0.8h；
S2.将干燥好的材料放入捏合机中，保持温度280℃，密炼2h，然后模压成块；将料块在真空状态，氮气保护气氛下，加温到2800～3000℃，保持2.0h进行烧结；
S3.缓慢降温到1500℃，保温1.0h，同时外加超声波作用，超声波强度2.0KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到950℃，保温0.5h；然后急速冷却到700℃，保温1.0h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
其中，除渣剂主成分为二氧化硅和三氧化二铝，二氧化硅含量75％～78％，所述三氧化二铝含量15％～18％，余量为微量元素和杂质。
烧结为阶段性升温，具体步骤为：
A.预热阶段：将温度升到600～800℃，升温速率为60～75℃/min，保温0.5～0.8min；
B.低温烧结阶段：将温度升到1500～1600℃，升温速率为110～130℃/min，保温2.0～2.5min；
C.高温烧结阶段：将温度升到2800～3000℃，升温速率为140～150℃/min，保温1.5～2.0min。
缓慢降温的冷却速度为8～10℃/min，快速冷却的冷却速度为20～30℃/min，急速冷却的冷却速度为40～50℃/min。
实施例2
本实施例的新型硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：钴粉、镍粉和铁粉15份、硅胶5.0份，碳粉15份、钨粉和钛粉30份、硼粉5.0份、镱粉4.0份，除渣剂、球化剂2.0份，成型剂8.0份；其中，钴粉、镍粉和铁粉的质量比为1:1.5：2，钨粉和钛粉的质量比为2:3。其中上述原料的粒径与实施例1相同。
本实施例的新型硬质合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1.将上述硬质合金原料加入球磨机，并注入球磨介质后混合3.0h，然后进行真空干燥；球磨机用球磨介质为无水乙醇，转速为150～180r/min，其中球磨比为6：1；所述真空干燥的真空度为-0.1～0.2Pa，干燥温度为550℃，干燥时间为1.5h；
S2.将干燥好的材料放入捏合机中，保持温度250℃，密炼3h，然后模压成块；将料块在真空状态，氮气保护气氛下，加温到2800～3000℃，保持2.5h进行烧结；
S3.缓慢降温到1300℃，保温1.5h，同时外加超声波作用，超声波强度3.0KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到1000℃，保温1.0h；然后急速冷却到750℃，保温2.0h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
其余步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例的新型硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：钴粉、镍粉和铁粉20份、硅胶5.0份，碳粉22份、钨粉和钛粉40份、硼粉4.0份、镱粉4.0份，除渣剂、球化剂2.0份，成型剂6.0份；其中，钴粉、镍粉和铁粉的质量比为1:1：2，钨粉和钛粉的质量比为1:1其中上述原料的粒径与实施例1相同。
其制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例的硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：钴粉、镍粉和铁粉32份、硅胶5.0份，碳粉12份、钨粉和钛粉28份、硼粉5.0份、镱粉4.0份，除渣剂、球化剂2.0份，成型剂8.0份；其中，钴粉、镍粉和铁粉的质量比为1:2：1，钨粉和钛粉的质量比为1:2。
其中，上述粉末粒径与实施例1相同。成型剂为橡胶。其制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例的硬质合金，按重量份数计，通过以下原料选择与实施例1相同，其制备方法包括以下步骤：
S1.将上述硬质合金原料加入球磨机，并注入球磨介质后混合2.0h，然后进行真空干燥；其中球磨比为3：1；所述真空干燥的真空度为0.3～0.5Pa，干燥温度为300℃，干燥时间为2h；
S2.将干燥好的材料放入捏合机中，保持温度200℃，密炼4h，然后模压成块；将料块在真空状态下，加温到1700℃，保持2.0h进行烧结；
S3.缓慢降温到1200℃，保温1.0h，同时外加超声波作用，超声波强度1.0KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到800℃，保温1.0h；然后急速冷却到780℃，保温1.0h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
其余工艺参数与实施例1相同。
将上述实施例1～实施例3和对比例1～对比例2的方法所得的的硬质合金进行硬度和抗弯强度的测试，其实验结果见表1。
表1
硬度(HRA) 抗弯强度(N/mm<sup>2</sup>)
实施例1 93.1 2356
实施例2 94.5 2495
实施例3 92.5 2450
对比例1 88.9 2163
对比例2 89.3 2236
由实验结果可知，本硬质合金具有良好的硬度、耐高温性能和耐磨性能。适合各领域材料的加工使用，加工中不易出现粘刀和难切削的问题，且刀具使用寿命长。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优势。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种新型硬质合金，其特征在于，按重量份数计，通过以下原料制备得到：钴粉、镍粉和铁粉15～30份、硅胶3.0～5.0份，碳粉15～30份、钨粉和钛粉30～60份、硼粉3.0～5.0份、镱粉2.0～4.0份，除渣剂、球化剂2.0～4.0份，成型剂5.0～8.0份；其中，钴粉、镍粉和铁粉的质量比为1:1～1.5：1～2，钨粉和钛粉的质量比为2:1～3。
2.根据权利要求1所述新型硬质合金，其特征在于，所述钴粉的粒径为8.0～15μm，所述镍粉的粒径为2～3μm，所述铁粉的粒径为3.0～5.0μm，所述碳粉的粒径为8.0～12.0μm，所述钨粉的粒径为2.0～5.0μm，所述钛粉的粒径为5.0～10μm，所述镱粉的粒径为5.0～10nm，所述硼粉的粒径12～20μm。
3.根据权利要求1所述新型硬质合金，其特征在于，所述硅胶的孔容为0.60～0.85ml/g，平均孔径为4.5～7.0nm，比表面为450～650m2/g。
4.一种由权利要求1～权利要求3任意一项所述新型硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
S1.将上述硬质合金原料加入球磨机，并注入球磨介质后混合1.0～3.0h，然后进行真空干燥；其中球磨比为4～6：1；所述真空干燥的真空度为-0.1～0.2Pa，干燥温度为400～550℃，干燥时间为0.8～1.5h；
S2.将干燥好的材料放入捏合机中，保持温度250～280℃，密炼2～3h，然后模压成块；将料块在真空状态下，加温到2800～3000℃，保持2.0～2.5h进行烧结；
S3.缓慢降温到1300～1500℃，保温1.0～1.5h，同时外加超声波作用，超声波强度2.0～3.0KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到950～1000℃，保温0.5～1.0h；然后急速冷却到700～750℃，保温1.0～2.0h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
5.根据权利要求3所述新型硬质合金的制备方法，其特征在于，所述除渣剂主成分为二氧化硅和三氧化二铝，所述二氧化硅含量75％～78％，所述三氧化二铝含量15％～18％，余量为微量元素和杂质。
6.根据权利要求3所述新型硬质合金的制备方法，其特征在于，所述成型剂为橡胶、聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯和聚乙二醇的任意一种。
7.根据权利要求3所述新型硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2的烧结为阶段性升温，具体步骤为：
A.预热阶段：将温度升到600～800℃，升温速率为60～75℃/min，保温0.5～0.8min；
B.低温烧结阶段：将温度升到1500～1600℃，升温速率为110～130℃/min，保温2.0～2.5min；
C.高温烧结阶段：将温度升到2800～3000℃，升温速率为140～150℃/min，保温1.5～2.0min。
8.根据权利要求3所述新型硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3的缓慢降温的冷却速度为8～10℃/min，所述快速冷却的冷却速度为20～30℃/min，所述急速冷却的冷却速度为40～50℃/min。
9.根据权利要求3所述新型硬质合金的制备方法，其特征在于，所述球磨机用球磨介质为无水乙醇，转速为150～180r/min。
10.根据权利要求3所述新型硬质合金的制备方法，其特征在于，烧结在氮气的保护气氛下进行。
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