CN109652707A - 一种含Ni3Al的WC-Co硬质合金 - Google Patents
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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Ni3Al的WC‑Co硬质合金。采用中粗WC粉末、粗颗粒WC粉末、普通Co粉和预合金粉末WC+Ni3Al为原料，Ni3Al的添加能够提升硬质合金的力学性能。其作用机理为Ni3Al的添加能够有效抑制烧结过程中合金晶粒的长大，并能够细化硬质合金中的晶粒。所制得的含Ni3Al的WC‑Co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Ni3Al的WC-Co硬质合金。
背景技术
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”。WC-Co硬质合金占整个硬质合金产品的一半以上，具有非常突出的地位。随着各种精密仪器、模具、刀具及电子通信技术的飞速发展，对WC-Co硬质合金的性能要求越来越高。
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。如何有针对性地依用途研究或开发高性能材料是该领域的研究热点。
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Ni3Al的WC-Co硬质合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
含Ni3Al的WC-Co硬质合金的制备原料包括：粒径为4μm的中粗WC粉末、粒径为10μm的粗颗粒WC粉末、粒径为1.5μm的普通Co粉和粒径为20μm的预合金粉末WC+Ni3Al。
含Ni3Al的WC-Co硬质合金的制备步骤为：将粉末原料按实验设计方案进行称重、配料，随后加入硬质合金球磨机中进行球磨，球磨时间为24h，球磨介质为无水乙醇，球料比为4∶1，经干燥、过筛、压制等工序后，采用低压烧结工艺将粒料制备成5.25mm×6.5mm×20mm尺寸的合金试样条，烧结温度为1327℃，保温时间为1h，烧结压力为6MPa。烧结后，按要求把试样进行切割，磨削和抛光后制备出金相试样。
含Ni3Al的WC-Co硬质合金的检测步骤为：显微组织采用带能谱仪的扫描电镜下进行观察，形貌特征透射电镜在高倍条件下观察。
所述的含Ni3Al的WC-Co硬质合金，Ni3Al的添加能够提升硬质合金的力学性能。其作用机理为Ni3Al的添加能够有效抑制烧结过程中合金晶粒的长大，并能够细化硬质合金中的晶粒。
所述的含Ni3Al的WC-Co硬质合金，由于WC-Co-Ni3Al具有与WC-Co硬质合金中WC晶粒相似的生长行为，延长烧结时间后，WC-40vol%(Co-Ni3Al)硬质合金中WC晶粒表面出现的台阶出现明显的刻面化。
本发明的有益效果是：
采用中粗WC粉末、粗颗粒WC粉末、普通Co粉和预合金粉末WC+Ni3Al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Ni3Al的WC-Co硬质合金。其中，Ni3Al的添加能够细化硬质合金内部晶粒，使内部晶粒平均尺寸减小，这是制成的硬质合金力学性能提升的根本。所制得的含Ni3Al的WC-Co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提供一种新的生产工艺。
具体实施方式
实施案例1：
含Ni3Al的WC-Co硬质合金的制备原料包括：粒径为4μm的中粗WC粉末、粒径为10μm的粗颗粒WC粉末、粒径为1.5μm的普通Co粉和粒径为20μm的预合金粉末WC+Ni3Al。含Ni3Al的WC-Co硬质合金的制备步骤为：将粉末原料按实验设计方案进行称重、配料，随后加入硬质合金球磨机中进行球磨，球磨时间为24h，球磨介质为无水乙醇，球料比为4∶1，经干燥、过筛、压制等工序后，采用低压烧结工艺将粒料制备成5.25mm×6.5mm×20mm尺寸的合金试样条，烧结温度为1327℃，保温时间为1h，烧结压力为6MPa。烧结后，按要求把试样进行切割，磨削和抛光后制备出金相试样。含Ni3Al的WC-Co硬质合金的检测步骤为：显微组织采用带能谱仪的扫描电镜下进行观察，形貌特征透射电镜在高倍条件下观察。
实施案例2：
在1327℃温度下烧结1h后，由于添加了两种不同粒度的WC，在烧结后形成了双晶WC结构的显微组织。随着Ni3Al含量的增加，硬质合金呈现出不同的显微组织结构。对于富Co粘结相合金，其WC的形状呈现出刻面形状。相反，对于富Ni3Al粘结相合金，其WC的形状呈现出圆钝和细化。随着Ni3Al含量的增加，WC晶粒变得圆钝，WC形状的刻面度出现弱化，WC晶粒度细化。同时，显微组织结构中WC晶粒分布变得不均匀是由于粘结相分布不均匀造成的。而对于WC-40%Co硬质合金来说，粘结相分布相对均匀。大WC晶粒表面上刻面的台阶开始显现。对于以Ni3Al为粘结相的硬质合金，大的WC晶粒上出现大量的刻面的台阶。此外，富Ni3Al粘结相硬质合金中的细晶WC晶粒尺寸小于富Co粘结相硬质合金中细WC晶粒。
实施案例3：
硬质合金中的WC晶粒具有明显的刻面形状。然而，在以Ni3Al为粘结相的硬质合金中可观察到圆形晶粒。W在Co粘结相中的固溶度接近31.73wt%，而W在Ni3Al粘结相中的固溶度接近11.29wt%。W在Ni3Al粘结相中的固溶度远低于在Co粘结相中的固溶度。
实施案例4：
碳原子的轴对称位置把棱柱面分成两种惯习面，这两种惯习面上的原子的排列方式不同。WC晶体含有三个致密的晶面。两种棱柱惯习面上具有不同的数量的W-C键，两个棱柱惯习面对碳原子具有不同的亲和力。与碳原子具有更强亲和力的惯习面在饱和碳气氛条件下会发生优先生长，充分生长后最终消失而形成三棱柱形状。在烧结过程中，WC晶粒发生优先生长形成三棱柱形状。对于WC-Co硬质合金来说，碳含量对WC晶粒的生长和形状变化有相当大的作用。W在Co粘结相中的溶解度随着碳含量的降低而增加。在1179℃温度下W在Co粘结相中的溶解度在7wt.%之间。然而，W在粘结相Ni3Al中的固溶度远低于Co中固溶度，Ni3Al在1290℃温度下对WC的溶解度约为1at.%。随着Ni3Al含量的增加，硬质合金中WC晶粒形状的变化可能是由于粘结相对W具有不同固溶度而产生的。粘结相对W固溶度越低，导致烧结过程中的溶解析出过程的速度越慢，WC晶粒的生长速度受到限制，晶粒细化。
实施案例5：
硬质合金中WC充分生长后的形状被认为是截三棱柱。然而，在Co粘结相硬质合金中WC晶粒形状是三棱柱。WC形状已经是达到平衡状态的形状。除了烧结时间的影响外，合金中的碳含量对WC晶粒形状的影响也很大。在固定总碳含量的情况下，在富Ni3Al粘结相硬质合金中WC表面具有圆钝的面角。
实施案例6：
随着Ni3Al的添加量增加，合金的矫顽磁力增加，相对磁饱和强度略有下降。这是因为在钴含量相同的情况下，矫顽磁力主要与Co的均匀分布和Co层的厚度相关。在烧结过程中，液相含量低时，扩散和溶解速率慢，Co液不能均匀流动，结果Co分布不均匀；随着液相含量的增加，被Co溶解的WC就越多，那么细的WC颗粒向较粗的WC颗粒的迁移速度加快，Co分布均匀。Ni3Al的加入能够降低硬质合金烧结温度，因此在同样的烧结参数下，液相增加，所以矫顽磁力增加。随着烧结时间的延长，返烧8h后，对于富Ni3Al硬质合金，在WC晶粒表面上除了形成刻面的多台阶外。三棱柱形状的WC晶粒逐渐形成。WC-CoNi3Al硬质合金具有与WC-Co硬质合金相同的WC生长行为。
Claims (4)
1.一种含Ni3Al的WC-Co硬质合金的制备原料包括：采用原材料有：粒径为4μm的中粗WC粉末、粒径为10μm的粗颗粒WC粉末、粒径为1.5μm的普通Co粉和粒径为20μm的预合金粉末WC+Ni3Al。
2.根据权利要求1所述的含Ni3Al的WC-Co硬质合金，其特征是含Ni3Al的WC-Co硬质合金的制备步骤为：将粉末原料按实验设计方案进行称重、配料，随后加入硬质合金球磨机中进行球磨，球磨时间为24h，球磨介质为无水乙醇，球料比为4∶1，经干燥、过筛、压制等工序后，采用低压烧结工艺将粒料制备成5.25mm×6.5mm×20mm尺寸的合金试样条，烧结温度为1450℃，保温时间为1h，烧结压力为6MPa，烧结后，按要求把试样进行切割，磨削和抛光后制备出金相试样。
3.根据权利要求1所述的含Ni3Al的WC-Co硬质合金，其特征是显微组织采用带能谱仪的扫描电镜下进行观察，形貌特征透射电镜在高倍条件下观察。
4.根据权利要求1所述的含Ni3Al的WC-Co硬质合金，其特征是所述的含Ni3Al的WC-Co硬质合金，显微组织采用带能谱仪的扫描电镜下进行观察，形貌特征透射电镜在高倍条件下观察，并能够细化硬质合金中的晶粒，所述的含Ni3Al的WC-Co硬质合金，由于WC-Co-Ni3Al具有与WC-Co硬质合金中WC晶粒相似的生长行为，延长烧结时间后，WC-40vol%(Co-Ni3Al)硬质合金中WC晶粒表面出现的台阶出现明显的刻面化。
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| CN110819866A (zh) * | 2019-10-09 | 2020-02-21 | 西安理工大学 | 一种WC-Co-B4C硬质合金的制备方法 |
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