CN109652701A - 一种含VC/Cr3C2的WC-0．5Co超细硬质合金 - Google Patents
一种含VC/Cr3C2的WC-0．5Co超细硬质合金 Download PDFInfo
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Abstract
为了改善WC‑Co硬质合金的硬度、耐磨性，研制了一种含一种含VC/Cr3C2的WC‑0．5Co超细硬质合金。采用超细WC粉末、超细WC‑6Co复合粉末、VC/Cr3C2粉末和炭黑粉末为原料，VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的添加能够提升硬质合金的力学性能，添加VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的硬质合金其硬度可达到36578MPa，断裂韧性为8.8904MPa·m1/2。虽然VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的添加对硬质合金有益，但是可要控制二者的添加量。碳元素的添加量必须十分准确，VC/Cr3C2复合粉末的添加量也应该精确至0.73%，以保证能够成功制备综合性能优良的硬质合金。所制得的含VC/Cr3C2的WC‑0.5Co超细硬质合金，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‑Co超细硬质合金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VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金。
背景技术
硬质合金是一种由硬质相(WC、TiC、TaC、VC和Cr，C：等)和粘结相(Co、Ni和Fe)采用粉末冶金工艺生产的具有高硬度和高耐磨性材料。WC-Co硬质合金以其硬度高、红硬性高、抗压强度高、耐磨性好，耐蚀性与抗氧化性良好，广泛应用于切削刀具、矿用工具、模具、量具、耐磨零件以及机械密封等工业领域，被称为“现代工业的牙齿”。硬质合金属于脆性材料，硬度和强度即耐磨性和韧性之间的矛盾一直是困扰其发展的主要因素。
人们不断地致力于改善硬质合金的综合性能，如超细/纳米晶硬纸盒经、高温中的粗晶粒硬质合金、板状晶硬质合金等。超细硬质合金是WC晶粒度≤0.5μm的硬质合金，这类合金具有比普通WC-Co硬质合金更高的硬度、更好的耐磨性、更高横向断裂强度以及更良好的断裂韧性等优越性能，被广泛应用于金属切削加工、耐磨零件等领域，具有巨大的市场需求。
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VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的制备原料包括：超细WC粉末、超细WC-6Co复合粉末、VC/Cr3C2粉末和炭黑粉末。
含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入QM32型行星式高能球磨机中进行湿磨，球磨介质为硬质合金球，球磨机转速为90r/min，球料比为10：1，球磨时间为24h。球磨结束后，加入硬脂酸作为成形剂并继续球磨10h。将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后进行制粒。将制好的粉末加至液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa。将制好的压坯放入气压强化烧结炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。
含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的检测步骤为：粉末的比表面测定采用BET比表面分析仪，金相组织采用XJG-05型光学显微镜，显微组织采用NanoSEM230扫描电镜，密度采用阿基米德排水法，维氏硬度采用显微硬度计，横向断裂强度采用三点弯曲法测试。
所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，VC/Cr3C2复合粉末的添加能够抑制烧结过程WC晶粒的长大，使其能够具有更加均匀的内部结构和致密化程度，硬质合金的力学性能也得到一定程度的提高。
所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，碳元素的添加同样能够抑制烧结过程找你哥WC晶粒的长大，提升硬质合金的致密度。
所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的添加能够提升硬质合金的力学性能，添加VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的硬质合金其硬度可达到36578MPa，断裂韧性为8.8904MPa·m1/2。虽然VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的添加对硬质合金有益，但是可要控制二者的添加量。碳元素的添加量必须十分准确，VC/Cr3C2复合粉末的添加量也应该精确至0.78%，以保证能够成功制备综合性能优良的硬质合金。
本发明的有益效果是：
采用超细WC粉末、超细WC-6Co复合粉末、VC/Cr3C2粉末和炭黑粉末为原料，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VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金。其中，VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的添加能够抑制烧结过程中晶粒的长大，使制得的硬质合金具有均匀的内部结构和致密化程度，VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的添加量必须精确控制，这是具备出综合性能优良的硬质合金的前提。所制得的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，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-Co超细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：
含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的制备原料包括：超细WC粉末、超细WC-6Co复合粉末、VC/Cr3C2粉末和炭黑粉末。含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入QM32型行星式高能球磨机中进行湿磨，球磨介质为硬质合金球，球磨机转速为90r/min，球料比为10：1，球磨时间为24h。球磨结束后，加入硬脂酸作为成形剂并继续球磨10h。将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后进行制粒。将制好的粉末加至液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa。将制好的压坯放入气压强化烧结炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的检测步骤为：粉末的比表面测定采用BET比表面分析仪，金相组织采用XJG-05型光学显微镜，显微组织采用NanoSEM230扫描电镜，密度采用阿基米德排水法，维氏硬度采用显微硬度计，横向断裂强度采用三点弯曲法测试。
实施案例2：
材料中的孔隙随着抑制剂VC/Cr3C2的添加量增加而增加。在1450℃的保温过程中，组织中的VC和Cr3C2与Co的润湿性相比于WC较差，所以VC/Cr3C2的加入阻碍了烧结致密化的进行。在相同的烧结温度下，材料致密度随着VC/Cr3C2添加量的增加而降低，表明随着抑制剂含量的升高，烧结温度也需要一定的提高。白色物为WC硬质相，灰黑色物为Co粘结相和碳化物颗粒。在未添加晶粒抑制剂VC/Cr3C2的试样中，烧结体出现了许多异常长大的块状和条状WC晶粒，随着抑制剂添加量的增加，异常长大的WC晶粒逐渐减少，当抑制剂添加量达到0.53%和0.78%时，基本上没有发现异常长大的晶粒。添加晶粒长大抑制剂VC/Cr3C2可以有效地抑制WC晶粒在烧结过程中的长大。
实施案例3：
由于晶粒界面发生偏析，形成了多台阶界面，造成边界能增大。在无粘结相超细硬质合金中，VC的加入增大了边界能，更加难以成核，原子传递速率下降，二维成核的速率大大降低，使WC晶粒的粗化得到抑制。另外Cr3C2阻止了物相的迁移，妨碍了WC之间的团聚和合并长大，使单个WC颗粒数量增加。与此同时，Cr3C2在WC晶粒表面还可以形成一层吸附层，阻止WC晶粒向周围长大，从而减小WC晶粒粒度。添加Cr3C2既可以阻止WC的聚集长大，还能起到二次抑制WC晶粒长大的作用。
实施案例4：
分别添加质量分数0.13%、0.19%、0.42%、0.84%VC/Cr3C2的4组合金烧结试样的硬度值随着VC/Cr3C2的添加量增加而升高，添加晶粒长大抑制剂导致烧结试样中WC晶粒的细化，从而使得材料得到细晶强化，提高烧结体的硬度。但是当抑制剂质量含量超过0.19%时，材料硬度值上升幅度减小，这是因为抑制剂添加过量时，对晶粒长大的抑制作用降低，提高合金硬度效果不明显，同时过量的VC和Cr3C2也会增加材料的孔隙度，影响烧结体的硬度。
实施案例5：
硬质合金正常两相区内碳含量范围较窄，而且对于超细硬质合金，原材料的吸氧、脱蜡时间和温、晶粒长大抑制剂、烧结气氛的选择和钴含量、气氛纯度等都会影响合金中的碳含量。在采用高能球磨制备超细WC-0.5Co粉末的过程中，纳米粉末会吸附较多的气体，这些吸附的气体在温度的上升和负压的作用下，不牢固的物理吸附气体首先解吸，然后化学吸附气体在更高的温度下产生解吸。烧结试样的实际密度较理论密度高。在气压强化烧结时，温度达到了1850℃，较多的氧夺走了WC中的碳，因此实际密度偏高。未配碳的合金中基本没有孔隙，随着配碳量的升高，金相组织中的孔隙也有一定的增加，在抛光后的样品中可以看到较多孔洞，原因是配碳量过多，出现了游离碳。对于成分相同和粒度相近的合金而言，密度仅与孔隙度有关。
实施案例6：
经过高能球磨制备的超细碳化钨粉末粒度小、活性高，并且无粘结相超细硬质合金的烧结类型为固相烧结，烧结时不存在大量粘结液相，因此在烧结过程中无粘结相超细硬质合金中的WC晶粒极易团聚、合并长大，合金中的孔隙与传统硬质合金相比更难消除，并且这类合金对孔隙比较敏感，会对性能产生一定的影响。在达到烧结温度后，保温一段时间，再通入Ar气并将压力升高至25MPa，在这样高的压力下可以降低烧结温度，缩短烧结时间，改善金属颗粒之间的接触，使超细WC硬质合金的力学性能大幅度提高。对比配碳前后的试样，球磨配碳后的试样中存在更多长条状或块状的异常长大晶粒，并且试样中晶粒大小的不均匀度随着配碳量的增加而逐渐增加。超细/纳米WC-Co复合粉末在烧结最初的几分钟内迅速致密化，WC晶粒遵循粗化的线性规律，长大十分迅速。
实施案例7：
硬质合金的断裂强度对孔隙和其他缺陷很敏感，常常被当作韧性的检测标准，也是WC-Co硬质合金中晶粒度、碳平衡、显微组织和其他的化学成分等因素决定的内在性能。随着C含量的增加，合金硬度降低，当配碳量为质量分数0.37%时，硬度下降最明显，可能是因为试样中含碳量过高，合金中出现较多游离碳即石墨夹杂。此时，合金的断裂韧性随着碳含量的增加而呈上升趋势，不过变化不大。此时，配碳量通过影响WC-0.5Co超细硬质合金中缺碳相和碳化物的形成进而对合金断裂韧性产生了影响。当未配碳时，合金中的脆性缺碳相会严重影响材料的强度；当配碳量过高时，在晶界上会有游离碳析出，游离碳会影响合金致密化过程，而合金中的显微缺陷有可能成为裂纹源，因此合金的断裂韧性将不会随着C含量的增加而提高。
Claims (4)
1.一种含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的制备原料包括：超细WC粉末、超细WC-6Co复合粉末、VC/Cr3C2粉末和炭黑粉末。
2.根据权利要求1所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，其特征是含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入QM32型行星式高能球磨机中进行湿磨，球磨介质为硬质合金球，球磨机转速为90r/min，球料比为10：1，球磨时间为24h，球磨结束后，加入硬脂酸作为成形剂并继续球磨10h，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后进行制粒，将制好的粉末加至液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa，将制好的压坯放入气压强化烧结炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。
3.根据权利要求1所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，其特征是含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金的检测步骤为：粉末的比表面测定采用BET比表面分析仪，金相组织采用XJG-05型光学显微镜，显微组织采用NanoSEM230扫描电镜，密度采用阿基米德排水法，维氏硬度采用显微硬度计，横向断裂强度采用三点弯曲法测试。
4.根据权利要求1所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，其特征是所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，VC/Cr3C2复合粉末的添加能够抑制烧结过程WC晶粒的长大，使其能够具有更加均匀的内部结构和致密化程度，硬质合金的力学性能也得到一定程度的提高，所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，碳元素的添加同样能够抑制烧结过程找你哥WC晶粒的长大，提升硬质合金的致密度，所述的含VC/Cr3C2的WC-0.5Co超细硬质合金，VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的添加能够提升硬质合金的力学性能，添加VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的硬质合金其硬度可达到36578MPa，断裂韧性为8.8904MPa·m1/2，虽然VC/Cr3C2复合粉末和碳元素的添加对硬质合金有益，但是可要控制二者的添加量，碳元素的添加量必须十分准确，VC/Cr3C2复合粉末的添加量也应该精确至0.73%，以保证能够成功制备综合性能优良的硬质合金。
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2017
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