CN110202155A - 一种制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，包括以下步骤：步骤(1)将VC和Cr3C2进行混合预处理，得到VC+Cr3C2的混合粉末；步骤(2)将7‑10％的Co粉，1.5‑2.5％的TaC粉，VC+Cr3C2为1.0‑1.4％，WC粉余量，依次进行配料、湿磨、喷雾干燥和压制成型，制成生坯；步骤(3)真空烧结；将步骤(2)制成的生坯在真空炉中依次进行固相阶段烧结和液相阶段烧结；步骤(4)低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料；本发明通过调控抑制剂在超细合金中存在状态，对合金微观组织结构进行定向设计，在达到合金硬度、强度和韧性协同提升，能够实现高温硬度与韧性的良好匹配，提高硬质合金的综合性能以及抗热冲击和抗热塑变形能力。

Description

一种制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法
技术领域
本发明属于硬质合金材料技术领域，尤其是涉及一种针对高温合金、钛合金和不锈钢，制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法。
背景技术
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料；并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度较高，又被称为“超合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。
不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢之所以很少生锈，主要是因为其有较高的抗腐蚀性，通常材料中含Cr量在10％以上，并含有大量的Ni成分，在较高的温度下也能保持一定的强度。
上述材料均为难加工的材料，其加工特点有：①切削力大；②切削温度高；③加工硬化严重；④塑性变形大；⑤刀具易磨损，常见有扩散磨损、边界磨损、刀尖塑性变形、月牙洼磨损及积屑瘤。
硬质合金通常由难熔金属的硬质化合物(WC)和粘接金属(Co)组成，并添加一定量的WC晶粒长大抑制剂，通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。WC-Co硬质合金具有较高强度、抗冲击性以及较好的耐磨性，因此在刀具、耐磨零件、冷成型工具等领域具有广泛应用。
目前切削上述材料用的超细硬质合金刀片材料存在晶粒长大抑制效果不显著、抑制剂成本高、抑制剂添加降低硬质合金强度等问题。此外，传统的硬质合金由于高温硬度与良好韧性匹配度不好，尤其是抗粘接性能不好，导致切削性能不佳，都不适用于上述材料的切削加工。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种通过调控抑制剂在超细合金中存在状态，对合金微观组织结构进行定向设计，在达到合金硬度、强度和韧性协同提升，能够实现高温硬度与韧性的良好匹配，提高硬质合金的综合性能以及抗热冲击和抗热塑变形能力的制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，包括以下步骤：
步骤(1)将VC和Cr3C2进行混合预处理，得到VC+Cr3C2的混合粉末；
步骤(2)将7-10％的Co粉，1.5-2.5％的TaC粉，VC+Cr3C2为1.0-1.4％，WC粉余量，依次进行配料、湿磨、喷雾干燥和压制成型，制成生坯；其中，湿磨的球料质量比为(5.0～6.0)：1，液固比为400～500ml/Kg，球磨时间为120～144h；
步骤(3)真空烧结；将步骤(2)制成的生坯在真空炉中依次进行固相阶段烧结和液相阶段烧结；
所述固相阶段烧结于5～10Pa、1000～1500℃下保温1～2h；
所述液相阶段烧结于1～10Pa、1200～1500℃下保温1～3h；
步骤(4)低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料；
在步骤(4)中，放入低压烧结炉中进行烧结，所述烧结于氩气压力为5～15MPa、1300～1500℃下保温30～90min。
在步骤(2)中以无水酒精作为球磨介质。
所述Co的粒径为0.8～1.5μm，WC的粒径为0.2～0.5μm。
所述VC与Cr3C2的质量比为(1.0-2.0):1。
由于采用上述技术方案，本发明
(1)本发明采用VC+Cr3C2为晶粒抑制剂，有效抑制WC相的熔解析出过程，从而显著抑制WC晶粒长大，降低WC硬质相晶粒尺寸，提高材料硬度，改善刀片切削耐磨性；
(2)VC+Cr3C2的作用是抑制WC的晶粒长大，但VC+Cr3C2的用量不能太高，太高虽然抑制了WC晶粒的生长，同样也会影响材料的硬度和强度，因此，在本发明中选择的为最适宜用量范围的晶粒抑制剂；
(3)晶粒长大会导致材料的硬度和强度下降，单个的粗大晶粒常常是硬质合金发生断裂的重要诱因，添加晶粒抑制剂能够有效阻止烧结过程中WC晶粒的长大，而消除WC晶粒局部长大的关键在于晶粒抑制剂的均匀分布，因此，在本发明中，采用湿磨使晶粒抑制剂充分分散在WC原料中，湿磨的作用之一是使物料充分混合，作用之二是减小颗粒尺寸；
(4)固相阶段烧结：固相反应和扩散加剧，塑性流动增强，烧结体出现明显的收缩；液相阶段烧结：烧结体出现液相，收缩很快完成，接着产生结晶转变，形成合金的基本组织和结构；
(5)由于选用了0.2～0.5μm的WC粉作为原料，同时采用适量TaC粉以提高合金的高温强度，并加入VC+Cr3C2抑制晶粒长大，通过“多气氛压力烧结”，使最终得到的硬质合金的平均晶粒度达到0.2～0.4μm，而且合金结晶完整，致密度高，微观应变小，显微硬度高，其耐磨性和韧性均得到了很大程度的改善，实现了强度和硬度的良好匹配，抗弯强度达到了4500-5000MPa，硬度达到了Hv301540～1860，从而使合金综合性能大大提高，尤适用于切削高温合金、钛合金和不锈钢。
具体实施方式
下面结合实施例进一步叙述本发明：
实施例1：一种制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，包括以下步骤：
步骤(1)将VC和Cr3C2进行混合预处理，得到VC+Cr3C2的混合粉末；
步骤(2)将10％的Co粉，2％的TaC粉，VC+Cr3C2为1.2％，WC粉余量，依次进行配料、湿磨、喷雾干燥和压制成型，制成生坯；其中，湿磨的球料质量比为5：1，液固比为450ml/Kg，球磨时间为144h；
步骤(3)真空烧结；将步骤(2)制成的生坯在真空炉中依次进行固相阶段烧结和液相阶段烧结；
所述固相阶段烧结于8Pa、1200℃下保温1.5h；
所述液相阶段烧结于8Pa、1400℃下保温2.5h；
步骤(4)低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料；
在步骤(4)中，放入低压烧结炉中进行烧结，所述烧结于氩气压力为10MPa、1400℃下保温60min。
在步骤(2)中以无水酒精作为球磨介质。
所述Co的粒径为0.8μm，WC的粒径为0.28μm。
所述VC与Cr3C2的质量比为1.5:1。
以PS21(尺寸为6.5×5.25×20㎜)试样条作为检验本实施例方法制备的硬质合金的标准产品，抗弯强度为4700MPa，硬度Hv301540，寿命达到AM70水平，适宜加工钛合金。
实施例2：一种制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，包括以下步骤：
步骤(1)将VC和Cr3C2进行混合预处理，得到VC+Cr3C2的混合粉末；
步骤(2)将8％的Co粉，1.5％的TaC粉，VC+Cr3C2为1.4％，WC粉余量，依次进行配料、湿磨、喷雾干燥和压制成型，制成生坯；其中，湿磨的球料质量比为6：1，液固比为500ml/Kg，球磨时间为144h；
步骤(3)真空烧结；将步骤(2)制成的生坯在真空炉中依次进行固相阶段烧结和液相阶段烧结；
所述固相阶段烧结于9Pa、1400℃下保温2h；
所述液相阶段烧结于9Pa、1400℃下保温2h；
步骤(4)低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料；
在步骤(4)中，放入低压烧结炉中进行烧结，所述烧结于氩气压力为15MPa、1400℃下保温80min。
在步骤(2)中以无水酒精作为球磨介质。
所述Co的粒径为1μm，WC的粒径为0.3μm。
所述VC与Cr3C2的质量比为2:1。
以PS21(尺寸为6.5×5.25×20㎜)试样条作为检验本实施例方法制备的硬质合金的标准产品，抗弯强度为4500MPa，硬度Hv301660，寿命达到K44UF水平，适宜加工高温合金。
实施例3：一种制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，包括以下步骤：
步骤(1)将VC和Cr3C2进行混合预处理，得到VC+Cr3C2的混合粉末；
步骤(2)将9％的Co粉，2.5％的TaC粉，VC+Cr3C2为1.2％，WC粉余量，依次进行配料、湿磨、喷雾干燥和压制成型，制成生坯；其中，湿磨的球料质量比为6：1，液固比为150ml/Kg，球磨时间为144h；
步骤(3)真空烧结；将步骤(2)制成的生坯在真空炉中依次进行固相阶段烧结和液相阶段烧结；
所述固相阶段烧结于9Pa、1500℃下保温2h；
所述液相阶段烧结于9Pa、1500℃下保温3h；
步骤(4)低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料；
在步骤(4)中，放入低压烧结炉中进行烧结，所述烧结于氩气压力为12MPa、1400℃下保温90min。
在步骤(2)中以无水酒精作为球磨介质。
所述Co的粒径为1μm，WC的粒径为0.3μm。
所述VC与Cr3C2的质量比为(1.0-2.0):1。
以PS21(尺寸为6.5×5.25×20㎜)试样条作为检验本实施例方法制备的硬质合金的标准产品，抗弯强度为4500MPa，硬度Hv301550，寿命达到CTS18D水平，适宜加工不锈钢。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)将VC和Cr3C2进行混合预处理，得到VC+Cr3C2的混合粉末；
步骤(2)将7-10％的Co粉，1.5-2.5％的TaC粉，VC+Cr3C2为1.0-1.4％，WC粉余量，依次进行配料、湿磨、喷雾干燥和压制成型，制成生坯；其中，湿磨的球料质量比为(5.0～6.0)：1，液固比为400～500ml/Kg，球磨时间为120～144h；
步骤(3)真空烧结；将步骤(2)制成的生坯在真空炉中依次进行固相阶段烧结和液相阶段烧结；
所述固相阶段烧结于5～10Pa、1000～1500℃下保温1～2h；
所述液相阶段烧结于1～10Pa、1200～1500℃下保温1～3h；
步骤(4)低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料；
在步骤(4)中，放入低压烧结炉中进行烧结，所述烧结于氩气压力为5～15MPa、1300～1500℃下保温30～90min。
2.根据权利要求1所述的制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，其特征在于：在步骤(2)中以无水酒精作为球磨介质。
3.根据权利要求1所述的制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，其特征在于：所述Co的粒径为0.8～1.5μm，WC的粒径为0.2～0.5μm。
4.根据权利要求1所述的制备高强高韧硬质合金刀具基体材料的方法，其特征在于：所述VC与Cr3C2的质量比为(1.0-2.0):1。
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