CN109652696A

CN109652696A - 一种WC-15Ni高性能无磁硬质合金

Info

Publication number: CN109652696A
Application number: CN201710948255.4A
Authority: CN
Inventors: 杨晓东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-19

Abstract

为了改善WC‑Ni硬质合金的硬度、耐磨性，研制了一种WC‑15Ni高性能无磁硬质合金。采用WC粉、电解Ni粉、Cr₃C₂粉、碳黑为原料，碳元素的添加能够提升硬质合金的力学性能。其作用机理为能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有均匀的物相组成且缺陷较少。碳元素添加量为7%时，显微组织无缺陷，性能优异，平均横向断裂强度达到3300MPa。所制得的WC‑15Ni高性能无磁硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC‑Ni硬质合金提供一种新的生产工艺。

Description

一种WC-15Ni高性能无磁硬质合金

所属技术领域

本发明涉及一种硬质合金材料，尤其涉及一种WC-15Ni高性能无磁硬质合金。

背景技术

硬质合金是一种具有高硬度、高强度、高韧性的工具材料，在切削刀具和轴承等摩擦磨损较严重的场合应用较多。传统意义上的硬质合金是指将具有优异物理性能的硬质相WC颗粒嵌入低熔点的粘结相Co中，通过粉末冶金方法制备所得到的合金材料。然而，随着现代工业的发展，硬质合金的应用范围正在不断扩大，除了对硬度和强度之外，对硬质合金的耐腐蚀性能也有了较高的要求。常见WC-Co系硬质合金中粘结相Co易受化学介质侵蚀，使碳化物组成的硬质相骨架结构脆弱，在磨擦作用下硬质相晶粒剥落，加剧磨蚀、磨损。WC-Ni系无磁硬质合金耐蚀性好，主要原因来自Ni的耐蚀性。

无磁合金，是指没有磁性或者弱磁性的硬质合金材料。由于生产磁性材料的成型模具要求采用无磁性的材料，以往一直用无磁钢，其模具性能较差，硬度低，使用寿命短，而且使用一段时间过后模具内壁严重拉毛、变形等，进而影响磁性材料的尺寸精度和表面质量。而今采用无磁硬质合金，以其优异的性能代替无磁钢可以成倍的提高工作效率。

发明内容

本发明的目的是为了改善WC-Ni硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种WC-15Ni高性能无磁硬质合金。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

WC-15Ni高性能无磁硬质合金的制备原料包括：平均粒度为0.6μm的WC粉、电解Ni粉、Cr₃C₂粉、碳黑。

WC-15Ni高性能无磁硬质合金的制备步骤为：将原料粉末按实验设计方案进行称量、配料，然后与成形剂石蜡、球磨介质无水酒精一起加入到50L球磨罐中，球料比为1:3，球磨时间为48H。将球磨后的粒料进行干燥、过筛，然后造粒后制得混合料。混合料经模压成形、冷等静压密度均匀化、真空烧结、热等静压处理、机加工，制备出测试试样和密封环成品。真空烧结温度1400℃，保温时间1H；热等静压处理温度1400℃，压力150MPa，保温时间2H。

WC-15Ni高性能无磁硬质合金的检测步骤为：孔隙度采用金相显微镜观察，显微组织采用扫描电镜观察，元素分布采用所带能谱仪检测，密度采用阿基米德排水法测定，横向断裂强度采用三点弯曲法测量，硬度采用洛氏硬度计测量，矫顽磁力采用矫顽磁力仪定。

所述的WC-15Ni高性能无磁硬质合金，碳元素的添加能够提升硬质合金的力学性能。其作用机理为能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有均匀的物相组成且缺陷较少。碳元素添加量为7%时，显微组织无缺陷，性能优异，平均横向断裂强度达到3300MPa。

所述的WC-15Ni高性能无磁硬质合金，碳元素添加量合适的试样真空烧结后再热等静压处理，横向断裂强度进一步提高，增幅接近50%，而且性能更趋稳定。

本发明的有益效果是：

采用WC粉、电解Ni粉、Cr₃C₂粉、碳黑为原料，经过配料、球磨、干燥、制粒、成形、烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的WC-15Ni高性能无磁硬质合金。其中，碳元素的添加有助于WC-Ni合金内部物相的均匀分布，碳元素添加量为7时，合金的力学性能达到最优，适量的碳元素添加能够有助于提升WC-Ni硬纸合金的综合性能。所制得的WC-15Ni高性能无磁硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC-Ni硬质合金提供一种新的生产工艺。

具体实施方式

实施案例1：

WC-15Ni高性能无磁硬质合金的制备原料包括：平均粒度为0.6μm的WC粉、电解Ni粉、Cr₃C₂粉、碳黑。WC-15Ni高性能无磁硬质合金的制备步骤为：将原料粉末按实验设计方案进行称量、配料，然后与成形剂石蜡、球磨介质无水酒精一起加入到50L球磨罐中，球料比为1:3，球磨时间为48H。将球磨后的粒料进行干燥、过筛，然后造粒后制得混合料。混合料经模压成形、冷等静压密度均匀化、真空烧结、热等静压处理、机加工，制备出测试试样和密封环成品。真空烧结温度1400℃，保温时间1H；热等静压处理温度1400℃，压力150MPa，保温时间2H。WC-15Ni高性能无磁硬质合金的检测步骤为：孔隙度采用金相显微镜观察，显微组织采用扫描电镜观察，元素分布采用所带能谱仪检测，密度采用阿基米德排水法测定，横向断裂强度采用三点弯曲法测量，硬度采用洛氏硬度计测量，矫顽磁力采用矫顽磁力仪定。

实施案例2：

经过热等静压处理后的试样无明显的孔隙，也未发现游离碳，但出现白色斑点或者条带；硬质合金试样抛光面无任何可视缺陷。未经过热等静压处理后的试样出现大量的游离碳，固溶体主要成分为Ni，固溶W与少量C等元素，WC晶粒细小，平均尺寸约1μm。碳含量提高，WC晶粒度有所增大，总碳含量决定了WC-Ni系硬质合金的显微结构和相组成。在绝大多数情况下，合格的硬质合金的成分应落在相图的两相区。当粘结相Ni含量较小时，两相区的范围非常窄，碳含量稍微变动，合金成分就可能脱离该两相区，相组成就会发生变化。相的改变会导致合金性能的急剧变化。总碳含量影响着合金的性能，碳含量的控制至关重要。

实施案例3：

混合料没有添加碳黑的硬质合金试样由于含有脱碳相，密度高于混合料加碳黑后的硬质合金试样，其硬度较高，而横向断裂强度最低。大量超长条形镍带形成了合金的严重缺陷， C含量不足造成缺碳相，导致合金的横向断裂强度急剧下降。碳含量低导致硬质合金试样为非磁性，矫顽磁力为0。在不同粘结相体系的硬质合金中，Ni的居里温度点很低，要使之变为无磁性，Ni的磁性转变温度需低于室温，可以通过降低WC-Ni合金中的C含量来实现；随C含量降低，粘结相中W的固溶量将会增加，当Ni中W的固溶量大于16%时，NI粘结相将转变为非磁性。硬质合金试样添加过量的碳黑，其密度和硬度最低，游离碳的存在降低了合金的强度。由于C含量较高，该合金居里点高于室温，矫顽磁力大于0，显示为有磁性。采用被工艺制得的硬质合金，其横向断裂强度达到了3300MPa，与钴基硬质合金性能相差不大，而且C含量合适，矫顽磁力为0，合金居里点低于室温，表现为无磁合金。

实施案例4：

由于原料中含有4%Cr₃C₂，无磁硬质合金烧结致密化难度较大，烧结方式一般采用真空烧结，或氢气烧结。而对于使用条件苛刻、寿命要求高的产品，低压烧结或者热等静压方式将不可替代。在物相正常情况下，性能大幅度提高。相比于低压烧结，热等静压可以在较低的温度下使合金致密化，WC晶粒较小，力学性能更优异，对于大尺寸硬质合金制品来说，真空烧结后进行热等静压处理更能够保障内部组织结构均匀，性能稳定。真空烧结试样内部存在小于9μm的大小不等的孔隙，经热等静压处理后，基本消除了这类残余孔隙。

实施案例5：

热等静压处理后，合金密度有所提高，事实上经过二次烧结，合金硬度略微下降，无磁性没有变化，但合金强度增幅超过60%，显示出热等静压处理的巨大优势。真空烧结后横向断裂强度在1751～2600MPa之间，且波动幅度较大；而经过热等静压处理后横向断裂强度在3400～3600MPa之间，约增大900MPa，波动幅度不大，性能稳定。热等静压能弥补真空烧结工艺和设备造成的不足，使无磁硬质合金与其他硬质合金一样，经过热等静压处理后性能大幅度提升，稳定性提高。

实施案例6：

采用本工艺制度制备的大尺寸密封环，其外径、内径、厚度分别为304.0、276.0、22.6mm，密度12.82/cm³。该密封环无分层、夹杂、疏松等缺陷，内部超声波探伤无缺陷波，能够满足所需的技术条件和使用要求。

Claims

1.一种WC-15Ni高性能无磁硬质合金的制备原料包括：平均粒度为0.6μm的WC粉、电解Ni粉、Cr₃C₂粉、碳黑。

2.根据权利要求1所述的WC-15Ni高性能无磁硬质合金，其特征是WC-15Ni高性能无磁硬质合金的制备步骤为：将原料粉末按实验设计方案进行称量、配料，然后与成形剂石蜡、球磨介质无水酒精一起加入到50L球磨罐中，球料比为1:3，球磨时间为48H，将球磨后的粒料进行干燥、过筛，然后造粒后制得混合料，混合料经模压成形、冷等静压密度均匀化、真空烧结、热等静压处理、机加工，制备出测试试样和密封环成品，真空烧结温度1400℃，保温时间1H；热等静压处理温度1400℃，压力150MPa，保温时间2H。

3.根据权利要求1所述的WC-15Ni高性能无磁硬质合金，其特征是WC-15Ni高性能无磁硬质合金的检测步骤为：孔隙度采用金相显微镜观察，显微组织采用扫描电镜观察，元素分布采用所带能谱仪检测，密度采用阿基米德排水法测定，横向断裂强度采用三点弯曲法测量，硬度采用洛氏硬度计测量，矫顽磁力采用矫顽磁力仪定。

4.根据权利要求1所述的WC-15Ni高性能无磁硬质合金，其特征是所述的WC-15Ni高性能无磁硬质合金，碳元素的添加能够提升硬质合金的力学性能，其作用机理为能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有均匀的物相组成且缺陷较少，碳元素添加量为7%时，显微组织无缺陷，性能优异，平均横向断裂强度达到3300MPa，所述的WC-15Ni高性能无磁硬质合金，碳元素添加量合适的试样真空烧结后再热等静压处理，横向断裂强度进一步提高，增幅接近50%，而且性能更趋稳定。