CN110523992A - 单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法 - Google Patents

单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，先将还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，然后用类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，并送入高温碳化炉中碳化，再将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，最后层叠并快速烧制成型，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。此方法具有晶粒尺寸控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现硬质合金材料的高温强韧化。

Description

单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金制备技术领域，特别涉及一种单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法。
背景技术
硬质合金材料是以硬质相碳化钨与韧性金属黏结相压制烧结制成，金属黏结相较低的熔点造成硬质合金的高温强度限制。若通过替换金属黏结剂为非金属，则大大提高烧制温度，增加成本，并易增大合金脆性。因此，寻找一种新方法，在增强硬质合金高温性能的基础上，保持其强韧综合性能至关重要。
通过原位碳化与箔片烧结法，充分发挥超硬相的强度及细晶强化的有利效应，是提高硬质合金高温性能及韧性的关键手段。
发明内容
针对常见手段难以共同提高硬质合金高温性能和韧性问题的研发领域现状，本发明提供一种单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，然后用类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，并送入900～1100℃的碳化炉中碳化，得到碳化钨单组元箔片；
2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，最后层叠并快速烧制成型，烧制温度1580～1750℃，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
作为本发明的进一步改进，还原钨粉的平均粒度为8μm。
作为本发明的进一步改进，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度200～400μm，双棍转速60～80转/分；
作为本发明的进一步改进，类葱头碳粉平均粒度为40～80nm，其在箔片两面铺展厚度8～16μm，由微孔冷气喷粉装置控制。
作为本发明的进一步改进，碳化保温时间50～110分钟。
作为本发明的进一步改进，表面敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度40～70℃。
作为本发明的进一步改进，快速烧结成型使用液压快速烧结装置，烧结保温50～70min。
作为本发明的进一步改进，制得的硬质合金材料具有单碳化钨组元，材料的冲击韧性大于等于22.5MPa·m1/2，显微硬度大于等于11.5GPa，弯曲强度大于等于1740MPa，高温(1000℃)抗压强度大于等于5350MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优势：
本发明先将还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，然后用类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，并送入高温碳化炉中碳化，再将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，最后层叠并快速烧制成型；其中双辊窄缝粉末轧制装置用于得到单质钨金属箔片，为后续原位碳化和细晶组织提供层状基底。类葱头碳粉是原位碳化的关键碳源，其结构有利于钨碳化合。敏化处理用于增加碳化物箔片的表面悬键，便于后续烧结成型。本发明制得的硬质合金材料具有单碳化钨组元，材料的冲击韧性大于等于22.5MPa·m1/2，显微硬度大于等于11.5GPa，弯曲强度大于等于1740MPa，高温(1000℃)抗压强度大于等于5350MPa。此方法具有晶粒尺寸控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现硬质合金材料的强韧化和长寿命。
进一步，在制备硬质合金材料过程中，本发明为解决已有方法难以共同提高硬质合金高温性能和韧性的问题，而是采用一种原位碳化、箔片烧结法、敏化处理和层片快速烧结方法，研究双辊窄缝粉末轧制工艺、原位碳化工艺、敏化工艺参数、层片快速烧结方法和硬质合金高温强韧性能的关系，即：对于单碳化钨硬质合金材料，保持较高强韧性和高温力学性能的最佳双辊窄缝粉末轧制工艺、原位碳化工艺、敏化工艺参数、层片快速烧结方法。
具体实施方式
本发明一种单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)将平均粒度为5～10μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度200～400μm，双棍转速60～80转/分，然后用平均粒度为40～80nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度8～16μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度900～1100℃，保温时间50～110分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度40～70℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1580～1750℃，保温50～70min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
以下实施例制备的硬质合金材料的韧性和高温性能如表1所示。
实施例1
(1)将平均粒度为8μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度200μm，双棍转速60转/分，然后用平均粒度为40nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度8μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度900℃，保温时间50分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度40℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1580℃，保温60min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例2
(1)将平均粒度为8μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度220μm，双棍转速65转/分，然后用平均粒度为50nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度9μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度950℃，保温时间60分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度50℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1650℃，保温60min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例3
(1)将平均粒度为8μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度240μm，双棍转速70转/分，然后用平均粒度为60nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度10μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度1000℃，保温时间70分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度60℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1600℃，保温60min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例4
(1)将平均粒度为8μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度280μm，双棍转速80转/分，然后用平均粒度为50nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度12μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度1100℃，保温时间110分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度70℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1750℃，保温60min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例1～4制备硬质合金材料的性能参数见表1所示：
表1
从上表可以得出，本发明制得的硬质合金材料具有单碳化钨组元，材料的冲击韧性大于等于22.5MPa·m1/2，显微硬度大于等于11.5GPa，弯曲强度大于等于1740MPa，高温(1000℃)抗压强度大于等于5350MPa。
实施例5
(1)将平均粒度为8μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度300μm，双棍转速75转/分，然后用平均粒度为65nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度13μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度1100℃，保温时间110分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度70℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1700℃，保温60min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例6
(1)将平均粒度为8μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度340μm，双棍转速60转/分，然后用平均粒度为60nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度16μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度1100℃，保温时间110分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度70℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1650℃，保温60min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例7
(1)将平均粒度为8μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度380μm，双棍转速60转/分，然后用平均粒度为45nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度16μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度1100℃，保温时间110分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度70℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1750℃，保温60min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例8
(1)将平均粒度为8μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度380μm，双棍转速70转/分，然后用平均粒度为80nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度9μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度1050℃，保温时间90分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度50℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1590℃，保温60min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例9
(1)将平均粒度为5μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度200μm，双棍转速60转/分，然后用平均粒度为40nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度8μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度900℃，保温时间50分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度40℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1580℃，保温50min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例10
(1)将平均粒度为10μm还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度400μm，双棍转速80转/分，然后用平均粒度为80nm类葱头碳粉在箔片两面均匀铺展，铺展厚度16μm，由微孔冷气喷粉装置控制，并送入高温碳化炉中碳化，碳化温度1100℃，保温时间110分钟，得到碳化钨单组元箔片；
(2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度70℃，最后层叠并用液压快速烧结装置快速烧制成型，温度1750℃，保温70min，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
实施例5～10制备硬质合金材料的性能参数见表2所示：
表2
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将还原钨粉装入双辊窄缝粉末轧制装置中轧制成钨金属箔片，然后用碳粉在箔片两面均匀铺展，并送入900～1100℃的碳化炉中碳化，得到碳化钨单组元箔片；
2)将碳化钨单组元箔片进行表面敏化处理，最后层叠并快速烧制成型，烧制温度1580～1750℃，最终得到单碳化钨组元硬质合金材料。
2.如权利要求1所述的单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，其特征在于，还原钨粉的平均粒度为5～10μm，碳粉为类葱头结构。
3.如权利要求1所述的单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，其特征在于，双辊窄缝粉末轧制的窄缝宽度200～400μm，双棍转速60～80转/分。
4.如权利要求1所述的单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，其特征在于，类葱头碳粉平均粒度为40～80nm，其在箔片两面铺展厚度8～16μm，由微孔冷气喷粉装置控制。
5.如权利要求1所述的单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，其特征在于，碳化保温时间50～110分钟。
6.如权利要求1所述的单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，其特征在于，表面敏化处理采用浓硝酸活化及氯化镧敏化两个步骤，处理温度40～70℃。
7.如权利要求1所述的单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，其特征在于，快速烧结成型使用液压快速烧结装置，烧结保温50～70min。
8.如权利要求1至7任意一项所述的单碳化钨组元硬质合金材料的制备方法，其特征在于，硬质合金材料具有单碳化钨组元，材料的冲击韧性大于等于22.5MPa·m1/2，显微硬度大于等于11.5GPa，弯曲强度大于等于1740MPa，1000℃高温抗压强度大于等于5350MPa。
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