CN109652698A - 一种含碳化物抑制剂的WC-2．5TiC-10Co超细晶硬质 - Google Patents
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Abstract
为了改善WC‑Co硬质合金的硬度、耐磨性，制备了一种含碳化物抑制剂的WC‑2．5TiC‑10Co超细晶硬质。采用WC粉末、TiC粉末、Co粉末、Cr3C2、VC、TaC、NbC纳米粉末为原料，碳化物的添加能够抑制晶粒在烧结过程中的长大现象，使硬质合金具有更均匀的内部结构及更高的致密度。添加碳化物所制备的硬质合金，其致密度可达到99%以上。所制得的含碳化物抑制剂的WC‑2.5TiC‑10Co超细晶硬质，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‑10Co超细晶硬质提供一种新的生产工艺。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种硬质合金材料，尤其涉及一种含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质。
背景技术
硬质合金是由1种或多种高硬度、高模量的间隙化合物(通常是WC与过渡金属Fe、Co、Ni或其合金)组成的复合材料，WC-Co硬质合金中WC相硬度极高，且粘结相Co对碳化物的润湿性非常好(润湿角为0°)，WC与Co良好的兼容性使得WC-Co硬质合金具有优良的综合性能。WC-Co硬质合金也被誉为“工业的牙齿”，如何有针对性的依用途研究或开发高性能材料是该领域的研究热点。
超细硬质合金是WC晶粒度≤0.5μm的硬质合金，这类合金因具有高强度和高硬度等优异性能而成为高效精密刀具的理想材质，也是硬质合金的发展方向。超细硬质合金在烧结过程中WC晶粒会迅速长大，随着晶粒的长大，合金机械强度降低，粗大的WC晶粒会导致合金断裂。为了控制WC晶粒的异常长大，VC和Cr3C2是经常使用的晶粒生长抑制剂。
发明内容
本发明的目的是为了改善WC-Co硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质的制备原料包括：直径为1.2mm的WC粉末，直径为0.5mm的TiC粉末，直径为0.3mm的Co粉末及Cr3C2、VC、TaC、NbC纳米粉末。
含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质的制备步骤为：将原料粉末按照实验设计方案进行配料，然后加入到硬质合金罐中进行球磨，球磨分散介质为无水酒精和液体石蜡，球料比为10：1，球磨机转速为350r/min，球磨时间为30h。为了避免在高能球磨过程中产生巨大的热量导致温度升高，因此将环境温度设为-10℃。将球磨后的粉料进行干燥处理，倒入内径为50mm的石墨模具中进行压制成形，冷压后再把模具放入真空热压炉中，抽真空至1.0×10-2Pa后升温，升温速率10℃/min。采用的热压温度为1410℃，压力为20MPa，并保温保压1h，随后炉冷。
含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质的检测步骤为：硬度检测采用KB3000万能硬度计，抗弯强度采用Instron3液压伺服万能材料实验机，物相分析采用XD5型X射线衍射仪，微观组织采用Supra35场发射扫描电镜。
所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，球磨工艺能够显著减小原料粉末的粒径，这为制备高性能的超细WC-Co硬质合金提供了基础。因为，随着原料粉末粒度的增加，硬质合金的性能会降低。而且，粒度较小的粉末也很难获得。
所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，碳化物的添加能够抑制晶粒在烧结过程中的长大现象，使硬质合金具有更均匀的内部结构及更高的致密度。添加碳化物所制备的硬质合金，其致密度可达到99%以上。
所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，烧结温度对硬质合金的性能同样产生影响。烧结温度过高则会导致硬质合金内部的晶粒发生烧蚀，在硬质合金内部产生孔隙，使其力学性能降低。烧结温度过低则会导致硬质合金内部的晶粒不能充分生长，降低硬质合金的力学性能。
所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，所采用的最佳工艺参数为：烧结温度1410℃，烧结压力20MPa，保温时间为60Min。所制得的硬质合金相比于常规方法制备的硬质合金，其力学性能提高了约20%。
本发明的有益效果是：
采用WC粉末、TiC粉末、Co粉末、Cr3C2、VC、TaC、NbC纳米粉末为原料，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含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质。其中，球磨工艺能够制备符合制备超细晶硬质合金的原料粉末，碳化物的添加能够抑制烧结过程中硬质合金晶粒的长大，合适的烧结工艺则保证了硬质合金具有均匀的内部结构及更高的致密化程度，这些因素的综合作用使得硬质合金具有良好的综合性能。所制得的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，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-10Co超细晶硬质提供一种新的生产工艺。
具体实施方式
实施案例1：
含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质的制备原料包括：直径为1.2mm的WC粉末，直径为0.5mm的TiC粉末，直径为0.3mm的Co粉末及Cr3C2、VC、TaC、NbC纳米粉末。含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质的制备步骤为：将原料粉末按照实验设计方案进行配料，然后加入到硬质合金罐中进行球磨，球磨分散介质为无水酒精和液体石蜡，球料比为10：1，球磨机转速为350r/min，球磨时间为30h。为了避免在高能球磨过程中产生巨大的热量导致温度升高，因此将环境温度设为-10℃。将球磨后的粉料进行干燥处理，倒入内径为50mm的石墨模具中进行压制成形，冷压后再把模具放入真空热压炉中，抽真空至1.0×10- 2Pa后升温，升温速率10℃/min。采用的热压温度为1410℃，压力为20MPa，并保温保压1h，随后炉冷。含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质的检测步骤为：硬度检测采用KB3000万能硬度计，抗弯强度采用Instron3液压伺服万能材料实验机，物相分析采用XD5型X射线衍射仪，微观组织采用Supra35场发射扫描电镜。
实施案例2：
原始粉末中含有少量粒径大于1.2mm的WC颗粒。由于硬质合金的制备温度较高，不可避免材料制备过程中晶粒的长大，为了获得粒径小于1.2mm的硬质合金，减小原材料粉末粒径是一个有效的手段。采用高能球磨法对硬质合金进行了处理。经过15h球磨处理后，仍然残留少量粒径约为2mm的颗粒；延长球磨时间至36h后，复合粉末粒径减小到0.3mm以下且粒径比较均匀。考虑到球磨对TiC和WC颗粒的粉碎效果可能存在差异。大部分粉末的粒径约为0.45μm，其能谱分析中几乎没有Ti元素的特征峰，其主要成分为WC和Co；但也可以发现少量粒径约为0.05~0.15μm的颗粒。经过41h球磨后，TiC粉末的粒径略大于WC粉末的粒径，由于TiC和WC粉末的耐磨、冲击韧性等特性差异造成的。
实施案例3：
在真空热压工艺相同的条件下，硬质合金的密度和力学性能展现了较大的差异。随着微量Cr3C2和VC的添加，硬质合金的密度和致密度都明显增加，说明作为晶粒生长抑制剂的Cr3C2和VC添加有利于提高硬质合金的密度和致密度。含有NbC硬质合金的密度和致密度均高于含有TaC的硬质合金。在粉末冶金过程中适度产生少量的液相有利于提高材料的热压成形和致密度，由于少量的液相可以改善粉末的塑性变形性能并填充空隙。1370℃的烧结温度略低于Co的熔点，而这时硬质合金中的Co粘结剂可以被认为是一种理想溶液，Cr3C2和VC等碳化物的添加会降低Co溶液的液相线温度；而在高温烧结的初期阶段，Co溶液中Cr3C2和VC等碳化物的浓度分布并不均匀，在局部溶质浓度较高的区域可能有少量的固-液相平衡区域产生，添加微量的Cr3C2和VC提高了硬质合金的密度和致密度。当Co溶液中含有同等浓度的TaC和NbC时，进一步增加NbC的含量也会导致Co溶液中液相比例的增加，产生较多固-液相平衡区域，添加NbC的硬质合金密度和致密度较高。
实施案例4：
当Cr3C2的含量由0.3%增加到0.49%、VC的含量由0.27%增加到0.39%后，虽然硬质合金的硬度增加并不明显，但是抗弯强度的提高非常显著。当其它组分元素的含量相同时添加TaC的硬质合金的力学性能略高于添加NbC硬质合金的力学性能。
实施案例5：
由于Ti的原子序数较小，在背散射衍射像中TiC的衬度较暗。黑色的TiC颗粒弥散分布在WC晶粒之间，其晶粒尺寸小于0.4mm。当Cr3C2 (0.27%)和VC(0.29%)的含量较低时，可以看到少量异常长大的WC晶粒。虽然硬质合金中含有TiC和TaC或NbC，但是TiC、TaC和NbC对WC晶粒生长的抑制作用较弱，较低的Cr3C2和VC添加量不足以完全抑制WC晶粒在热压烧结过程中的异常长大。
实施案例6：
当Cr3C2和VC的添加量分别增加到0.49%和0.39%后，硬质合金的抗弯强度增加了约35%。与材料的抗弯强度相对应，硬质合金的断口展现了截然不同的形貌。断口平坦且表面粗糙、疏松，并可观察到大量与断面形成一定夹角的微裂纹，说明断口是由大量的微裂纹相互连接而形成的。断口成台阶状且表面干净、致密，无微裂纹形成。显然，与平坦的断口相比较，台阶状的断口能吸收更多的能量，其具有更高的强度。断口中几乎没有看到裸露的TiC颗粒，这是因为破坏主要发生在Co粘结相，TiC颗粒被Co粘结相包覆，因此很难观察到TiC颗粒。
实施案例7：
复合材料中增强相颗粒尺寸分布不均匀，当材料承受载荷时会在大颗粒增强相处产生较大的应力集中，导致较大的增强相颗粒破坏或界面失效。当硬质合金承受弯曲试验时，大粒径的WC颗粒率先断裂进而形成裂纹源，产生的微裂纹随机分布在硬质合金内部。硬质合金的断口是由许多微裂纹相互连接而成，仍然有大量的微裂纹残留在材料内部，断口表面显得粗糙且有许多与断口成一定角度的微裂纹。此外，WC属于脆性材料，因此较大粒径WC颗粒的破坏表现出解理断裂的特征。
Claims (4)
1.一种含碳化物抑制剂的WC-2．5TiC-10Co超细晶硬质的制备原料包括：直径为0.6mm的WC粉末，直径为0.5mm的TiC粉末，直径为0.3mm的Co粉末及Cr3C2、VC、TaC、NbC纳米粉末。
2.根据权利要求1所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，其特征是含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质的制备步骤为：将原料粉末按照实验设计方案进行配料，然后加入到硬质合金罐中进行球磨，球磨分散介质为无水酒精和液体石蜡，球料比为10：1，球磨机转速为350r/min，球磨时间为30h，为了避免在高能球磨过程中产生巨大的热量导致温度升高，因此将环境温度设为-10℃，将球磨后的粉料进行干燥处理，倒入内径为50mm的石墨模具中进行压制成形，冷压后再把模具放入真空热压炉中，抽真空至1.0×10-2Pa后升温，升温速率10℃/min，采用的热压温度为1410℃，压力为20MPa，并保温保压1h，随后炉冷。
3.根据权利要求1所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，其特征是含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质的检测步骤为：硬度检测采用KB3000万能硬度计，抗弯强度采用Instron3液压伺服万能材料实验机，物相分析采用XD5型X射线衍射仪，微观组织采用Supra35场发射扫描电镜。
4.根据权利要求1所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，其特征是所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，球磨工艺能够显著减小原料粉末的粒径，这为制备高性能的超细WC-Co硬质合金提供了基础，因为，随着原料粉末粒度的增加，硬质合金的性能会降低，而且，粒度较小的粉末也很难获得，所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，碳化物的添加能够抑制晶粒在烧结过程中的长大现象，使硬质合金具有更均匀的内部结构及更高的致密度，添加碳化物所制备的硬质合金，其致密度可达到99%以上，所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，烧结温度对硬质合金的性能同样产生影响，烧结温度过高则会导致硬质合金内部的晶粒发生烧蚀，在硬质合金内部产生孔隙，使其力学性能降低，烧结温度过低则会导致硬质合金内部的晶粒不能充分生长，降低硬质合金的力学性能，所述的含碳化物抑制剂的WC-2.5TiC-10Co超细晶硬质，所采用的最佳工艺参数为：烧结温度1410℃，烧结压力20MPa，保温时间为60Min，所制得的硬质合金相比于常规方法制备的硬质合金，其力学性能提高了约20%。
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|---|---|---|---|
| CN201710948302.5A Pending CN109652698A (zh) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | 一种含碳化物抑制剂的WC-2．5TiC-10Co超细晶硬质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109652698A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110168121A (zh) * | 2017-12-11 | 2019-08-23 | 住友电工硬质合金株式会社 | 硬质合金和切削工具 |
| CN115821099A (zh) * | 2022-11-28 | 2023-03-21 | 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 | 一种硬质合金的制备方法 |
| WO2023091830A1 (en) * | 2021-11-20 | 2023-05-25 | Hyperion Materials & Technologies, Inc. | Improved cemented carbides |
| CN117800734A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 崇义章源钨业股份有限公司 | 一种光学模具用硬质合金及其制备方法 |
-
2017
- 2017-10-12 CN CN201710948302.5A patent/CN109652698A/zh active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110168121A (zh) * | 2017-12-11 | 2019-08-23 | 住友电工硬质合金株式会社 | 硬质合金和切削工具 |
| WO2023091830A1 (en) * | 2021-11-20 | 2023-05-25 | Hyperion Materials & Technologies, Inc. | Improved cemented carbides |
| CN115821099A (zh) * | 2022-11-28 | 2023-03-21 | 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 | 一种硬质合金的制备方法 |
| CN117800734A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 崇义章源钨业股份有限公司 | 一种光学模具用硬质合金及其制备方法 |
| CN117800734B (zh) * | 2024-03-01 | 2024-05-28 | 崇义章源钨业股份有限公司 | 一种光学模具用硬质合金及其制备方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190419 |