CN110004313B - 一种基于放电等离子两步烧结制备硬质合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于放电等离子烧结材料领域，特别是一种基于放电等离子两步烧结制备硬质合金的方法。该方法经过混料，干燥、过筛，预压之后进行两步烧结，所述两步烧结采用放电等离子炉，烧结工艺参数是以100±10℃的升温速率持续升温到1300±10℃保温3min，然后以200±30℃的降温速率降温至1200±10℃保温5min。本发明提出的两步法烧结超细晶WC‑12Co‑0.2VC硬质合金的方法，首先，采用较高的烧结温度和较短的保温时间使WC粉末快速形成细小、规则的WC晶粒，然后降到较低烧结温度并保温较长时间使WC晶粒生长缓慢而材料进一步致密化。
Description
技术领域
本发明属于放电等离子烧结材料领域，特别是一种基于放电等离子两步烧结制备硬质合金的方法。
背景技术
由于硬质合金具的高硬度、高耐磨性、良好的高温稳定性等力学性能，其被广泛的应用在切削、钻孔以及一些矿山设备和部件上。相比于普通合金，超细晶硬质合金具有更优异的力学性能，硬质合金的硬度和强度都会随着WC晶粒尺寸降低到纳米级而得到提升。但是在制备超细晶硬质合金时，由于纳米WC颗粒具有较低的表面能，烧结过程中晶粒更容易长大。
添加晶粒长大抑制剂是抑制晶粒长大的一种办法。绝大部分晶粒长大抑制剂是过渡族金属碳化物，文献“SongX Y,et al.Effect of interfacial characteristics ontoughness of nanocrystalline cemented carbides[J].Acta Materialia,2013,61(6):2154-2162”以VC为抑制剂制备超细晶硬质合金，用等离子烧结方法烧结得到了致密度为98.5％的WC-10Co硬质合金，其硬度和断裂韧性分别为HV＝2050±10kgf mm-2、KIC＝14.5±0.5MPa m1/2。
文献“Shen T T,et al.Effects of LaB 6addition on the microstructureand mechanical properties of ultrafine grained WC–10Co alloys[J].J.AlloysCompd,2011,509(4):1236-1243.”通过添加V做抑制剂并用等离子烧结方法制备出平均晶粒尺寸为154nm、致密度为98.95％的WC-12Co硬质合金。这是由于抑制剂会在Co相中优先溶解和不断析出，改变Co相的湿润性和流动性以及WC在液相Co中的溶解度，影响烧结体的致密度。通过添加抑制剂虽然抑制了晶粒的长大，但所烧结硬质合金的致密度不是太高。
现有技术中提高烧结温度可以提升硬质合金的致密度，但这同时会促进晶粒的长大。对此文献“Yang Q M，et al.The effects of fine WC contents and temperature onthe microstructure and mechanical properties of inhomogeneous WC-(fine WC-Co)cemented carbids[J].CeramicsInternational,2016,42:18100-18107”也有记载。总之，传统的一步法烧结无法在抑制晶粒长大的同时提高所烧结样品的致密度。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于放电等离子两步烧结制备硬质合金的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于放电等离子两步烧结制备硬质合金的方法，经过混料，干燥、过筛，预压之后进行两步烧结，所述两步烧结采用放电等离子炉，烧结工艺参数是以100±10℃的升温速率持续升温到1300±10℃保温3min，然后以200±30℃的降温速率降温至1200±10℃保温5min。
所述混料具体为：按质量百分比84-96％WC、4-16％Co和0.2-2％VC分别称取WC粉末、Co粉末、VC粉末，混合，室温下以无水乙醇作为震荡介质，进行超声震荡、搅拌、混粉2-3h。
所述WC粉末的粒径为60±10nm、Co粉末的粒径为600±100nm、VC粉末的粒径为600±100nm。
所述干燥、过筛具体为：将混料之后的混合粉料干燥，研磨，用100目筛网过筛。
所述预压具体为：将过筛的混合粉料直接倒入模具中，进行预压，预压压强为10MPa，保压时间为3-5min。
所述两步烧结还包括：将预压后的模具放入放电等离子炉中，抽真空至5-8pa形成真空环境，施加30-50MPa压力。
一种金属切削用刀片，所述刀片采用上述的方法制备的硬质合金为原料。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本发明提出了一种两步法烧结超细晶WC-12Co-0.2VC硬质合金SPS烧结方法，首先，采用较高的烧结温度和较短的保温时间使WC粉末快速形成细小、规则的WC晶粒，然后降到较低烧结温度并保温较长时间使WC晶粒生长缓慢而材料进一步致密化。
(2)较之一次烧结制备的超细晶硬质合金，两步法烧结的超细晶硬质合金的平均WC晶粒尺寸由362nm降低到271nm，致密度由98.6％升高到99.5％。
(3)所制备的超细晶硬质合金用于金属切削用车刀片和铣刀片的制造时，较小的WC晶粒尺寸(271nm)可以为金属切削刀具提供较高的硬度，使金属切削刀具可以满足一些超硬材料的加工。而较高的致密度(99.49％)则为车刀提供较高的抗弯强度，使得车刀在切削过程中可以承载更大的切削力。
附图说明
图1为实施例1制得的超细晶WC基硬质合金的腐蚀表面SEM图。
图2为实施例1制得的超细晶WC基硬质合金的未腐蚀表面SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明
实施例1
按质量百分数60nmWC-87.8％、600nmCo-12％与600nmVC-0.2％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10MPa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为50MPa；以100℃/min的升温速率将试样加热至1300℃，保温3min，然后以200℃/min的冷却速率降温至1200℃，保温5min，最后随炉冷却。
经测试得，材料的维氏硬度为1834HV30、韧性为12.25MPa·m1/2、致密度达到99.5％。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是材料配比不同，本实施例按质量百分数60nmWC-91.8％、600nmCo-8％与600nmVC-0.2％进行配料。烧结工艺与实施例1相同，样品性能经测试得，材料的维氏硬度2187HV30、韧性为12.01MPa·m1/2、致密度达到99.3％。
对比例1
一步法烧结WC-12Co
按质量百分数60nmWC-87.8％、600nmCo-12％与600nmVC-0.2％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10MPa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为50MPa；以100℃/min的升温速率将试样加热至1300℃，保温5min，然后随炉冷却。
经测试得，材料的维氏硬度为1780HV30、韧性为12.65MPa·m1/2、致密度为99.2％。
对比例2
一步法烧结WC-8Co
按质量百分数60nmWC-91.2％、600nmCo-8％与600nmVC-0.2％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10MPa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为50MPa；以100℃/min的升温速率将试样加热至1300℃，保温5min，然后随炉冷却。
经测试得，材料的维氏硬度为2102HV30、韧性为12.32MPa·m1/2、致密度为99.0％。
从图1、图2可以看出放电等离子两步法烧结实现了硬质合金致密度和硬度的同时提高，晶粒大小保持在271nm左右，WC和Co的分布较为均匀，液相能够均匀的分布在WC骨架中，无明显的孔洞出现。较小的WC晶粒尺寸和较高的致密度为所烧结样品带来了优异的力学性能，其硬度为1843HV30、韧性为12.25MPa·m1/2、致密度为99.49％、抗弯强度为1820MPa。
Claims (7)
1.一种基于放电等离子两步烧结制备硬质合金的方法，所述硬质合金的成分为按质量百分比84-96％WC、4-16％Co和0.2-2％VC，所述方法经过混料，干燥、过筛，预压之后进行两步烧结，其特征在于，所述两步烧结采用放电等离子炉，烧结工艺参数是以100±10℃/min的升温速率持续升温到1300±10℃保温3min，然后以200±30℃/min的降温速率降温至1200±10℃保温5min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混料具体为：按质量百分比84-96％WC、4-16％Co和0.2-2％VC分别称取WC粉末、Co粉末、VC粉末，混合，室温下以无水乙醇作为震荡介质，进行超声震荡、搅拌、混粉2-3h。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述WC粉末的粒径为60±10nm、Co粉末的粒径为600±100nm、VC粉末的粒径为600±100nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥、过筛具体为：将混料之后的混合粉料干燥，研磨，用100目筛网过筛。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预压具体为：将过筛的混合粉料直接倒入模具中，进行预压，预压压强为10MPa，保压时间为3-5min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两步烧结还包括：将预压后的模具放入放电等离子炉中，抽真空至5-8P a形成真空环境，施加30-50MPa压力。
7.一种金属切削用刀片，其特征在于，所述刀片采用权利要求1-6任一项所述的方法制备的硬质合金为原料。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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