CN110923590A - 一种SiC晶须增韧超细硬质合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种SiC晶须增韧超细硬质合金及其制备方法和应用 Download PDF

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吴凤飞
张志娟
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Abstract

本发明公开了一种SiC晶须增韧超细硬质合金，以重量份计，超细硬质合金包括以下成分：碳化钨：65.0～77.0份、钨钽复式碳化物：20.0～30.0份、钴：1.0～2.0份、镍：0.3～0.8份、二碳化三铬：0.3～0.8份、碳化钒：0.1～0.5份、碳化硅晶须：0.1～0.6份、稀土：0.05～0.5份。本发明还公开了该SiC晶须增韧超细硬质合金对应的制备方法。该硬质合金在保证极高硬度(达到2300HV3以上)的情况下抗弯强度达到2400MPa以上，且具有良好的耐腐蚀性能，满足超细硬质合金在木工锯齿、刀具中的应用。

Description

一种SiC晶须增韧超细硬质合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及硬质合金领域，尤其涉及一种超高硬度、高耐腐蚀性能的木工锯齿、刀具用超细硬质合金及制备方法和应用。
背景技术
超细晶粒的碳化钨-钴硬质合金具有高硬度、高强度的“双高”性能，主要用于制作集成电路板微型钻头与铣刀、点阵打印机打印针头、整体孔加工刀具、木工工具、精密工模具、牙钻、难加工材料刀具等。
超细碳化钨-钴硬质合金是相对细晶粒以及亚细晶粒碳化钨-钴硬质合金来说的，其硬质相晶粒尺寸小于0.5μm。超细晶粒硬质合金与普通硬质合金在粘结相含量相同的情况下具有更高的硬度和更高的抗弯强度，其主要原因是由于碳化钨粒径变小，碳化钨颗粒之间的钴层变薄，合金抵抗塑性变形的能力提高所致。
未来木材工业呈现行业内竞争不断加剧、品牌建设加强、自动化程度加深等特点。受此影响，绿色制造、粗加工向深加工转变成为行业发展需求。木材加工行业刨花板、高密度纤维板、亚克力板等的大量使用，对加工用的硬质合金锯齿、刀片材质提出了更高加工效率、更高精度、更强耐腐蚀性能等要求。
目前，市场上比较常见的同类型产品维氏硬度、抗弯强度分别在2200HV3、2400MPa左右，要继续提高硬度，则需要牺牲抗弯强度。作为超高硬度(≥2300HV3)的木工锯齿、刀片用硬质合金鲜有报道。申请号为200510032406.9的专利公开了一种超高硬度超细硬质合金制备方法，该方法公布的超细硬质合金硬度可以达到2550HV30，抗弯强度却有不足，只有1300～1800MPa，仅适合用于有腐蚀或磨蚀工况条件下精加工的密封件、阀门或喷嘴，另外该合金的烧结温度要求达到1650～1830℃，对设备要求高，不利于推广使用。现有技术中的其它具有超高硬度的超细硬质合金多为无粘结相超细硬质合金范畴，虽然硬度很高，但是抗弯强度、韧性等性能不足，不适合做高性能木工锯齿、刀片使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高耐腐蚀性能、超高硬度和高抗弯强度的硬质合金及其制备方法和应用，以满足木材加工行业对硬质合金锯齿、刀片更高加工效率、更高精度、更强耐腐蚀性能等方面的需求。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种SiC晶须增韧超细硬质合金，以重量份计，所述超细硬质合金包括以下成分：
碳化钨：65.0～77.0份、
钨钽复式碳化物：20.0～30.0份、
钴：1.0～2.0份、
镍：0.3～0.8份、
二碳化三铬：0.3～0.8份、
碳化钒：0.1～0.5份、
碳化硅晶须：0.1～0.6份、
稀土：0.05～0.5份。
上述的SiC晶须增韧超细硬质合金，优选的，所述稀土为钇和镧。
本发明还提供一种上述的SiC晶须增韧超细硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份，称取65.0～77.0份WC粉、20.0～30.0份钨钽复式碳化物、1.0～2.0份钴粉、0.3～0.8份羟基Ni粉、0.1～0.6份SiC晶须、0.3～0.8份Cr3C2、0.2～0.5份VC，0.05～0.50份稀土添加剂；
(2)将步骤(1)的物料混合后转移至球磨机中进行湿磨，湿磨80～120h，然后经干燥、压制成型、烧结，即制得SiC晶须增韧超细硬质合金。
上述的制备方法，优选的，所述烧结采用脱蜡-烧结一体气压烧结炉或SPS放电等离子烧结行烧结。
上述的制备方法，优选的，采用脱蜡–烧结一体气压烧结炉进行烧结，由于本发明采用超细的SiC晶须与0.6微米级别的超细钴粉，且SiC晶须添加量比较少，只有0.1～0.6％，因此本发明的烧结温度相对比较低，一般烧结温度为1380～1420℃，烧结时间为40～60min，烧结过程中炉内氩气压力9～10MPa；采用SPS放电等离子烧结前先在脱蜡炉内600℃条件下脱蜡，SPS放电等离子烧结的温度为1200～1350℃，烧结保温20～40min。而且，本发明添加SiC晶须的目的是利用其高强度及弥散强化原理提高硬质合金的抗弯强度及韧性，添加量仅0.2～0.6份，添加量过多会出现分散困难等问题，因此，添加量不宜高于0.6％。
上述的制备方法，优选的，所述钨钽复式碳化物固溶体的粒度小于1μm；所述钴粉为近球形钴粉，费氏粒度为0.5～0.8μm；所述WC粉的费氏粒度0.2～0.4μm。本发明添加钨钽复式碳化物是为了提高硬质合金的抗氧化性能，添加量高达20～30％。
上述的制备方法，优选的，所述超细Cr3C2和超细VC的质量比为(1～3)：1。
上述的制备方法，优选的，所述稀土添加剂为六水硝酸钇和六水硝酸镧的混合物，二者的质量比为(0.5～2):1。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，湿磨过程中的球料比为6～8:1，液固比420～450ml/Kg，湿磨介质为无水乙醇。
本发明还提供一种上述的SiC晶须增韧超细硬质合金或上述的制备方法制备的SiC晶须增韧超细硬质合金在木工锯齿、刀具中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明使用费氏粒度为0.2～0.4μm的超细WC粉、(WTa)C钨钽复式碳化物固溶体、近球形Co粉为主要原料辅以微量羟基Ni粉、纳米SiC晶须、超细晶粒长大抑制剂和稀土成分，使用粉末冶金方法经过配料、湿磨、干燥、成型、烧结等工序过程制备而成。超细碳化钨与极低粘结相配合可得超高硬度超细硬质合金，钨钽复式碳化物固溶体的加入可以较大幅度的提高合金的抗氧化性，SiC晶须是目前合成的硬度最高、模量最大、抗拉强度最大、耐热温度最高的晶须，在不降低其它方面性能的情况下，可以有效的增加合金的韧性，提高合金的抗弯强度，镍是一种很好的耐腐蚀及抗氧化金属材料，与钴形成合金且极低含量的设计提供足够的防腐蚀性能，所使用的硝酸稀土易溶于球磨介质-乙醇，可以达到分子级别的均匀性，最大限度的发挥稀土脱硫等净化晶界的作用，提高硬质合金的抗弯强度及韧性。该硬质合金在保证极高硬度(达到2300HV3以上)的情况下抗弯强度达到2400MPa以上，且具有良好的耐腐蚀性能，满足超细硬质合金在木工锯齿、刀具中的应用。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
本发明中，硬度的测量符合ASTM E384&E92、ISO 6507、ISO 9385、ISO 4546标准；抗弯强度的测量符合GB3851-83标准。
实施例1：
一种本发明的SiC晶须增韧超细硬质合金，包括以下质量含量的成分：碳化钨：74.62％、钨钽复式碳化物：22.0％、钴：1.5％、镍：0.5％、二碳化三铬：0.45％、碳化钒：0.3％；碳化硅：0.5％、钇：0.05％和镧：0.08％。
本实施例的SiC晶须增韧超细硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取149.24KgWC粉(费氏粒度0.3μm)、44Kg钨钽复式碳化物(粒度小于1μm)、3Kg钴粉(近球形，费氏粒度为0.6μm)、1Kg羟基镍粉、0.9KgCr3C2、0.6KgVC、1KgSiC晶须、0.43KgY(NO3)3·6H2O、0.5KgLa(NO3)3·6H2O、90升无水乙醇和1400Kg硬质合金球磨棒加入到球磨机，混合湿磨100h；
(2)将步骤(1)的混合料经过过筛干燥、压制成型后在脱蜡炉内600℃进行脱蜡，然后进行放电等离子烧结，烧结温度1300℃，保温20min，制得超细硬质合金。
本实施例制得的超细硬质合金硬度为2380HV3、抗弯强度2410MPa。抗氧化性测试：20.0mm×6.5mm×5.25mm规格的合金试样在900℃空气环境下放置1h，增重1.95％。
实施例2：
一种本发明的SiC晶须增韧超细硬质合金，包括以下质量含量的成分：碳化钨：69.67％、钨钽复式碳化物：27％、钴：1.5％、镍：0.5％、二碳化三铬：0.40％、碳化钒：0.30％；碳化硅：0.5％、钇：0.05％和镧：0.08％。
本实施例的SiC晶须增韧超细硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取139.34KgWC粉(费氏粒度0.4μm)、54Kg钨钽复式碳化物(粒度小于1μm)、3KgCo粉(近球形，费氏粒度为0.6μm)、1KgNi、0.8Kg Cr3C2、0.6KgVC、1KgSiC晶须、0.43KgY(NO3)3·6H2O、0.5KgLa(NO3)3·6H2O、90升无水乙醇和1400Kg硬质合金球磨棒加入到球磨机，混合湿磨100h；
(2)将步骤(1)的混合料经过过筛干燥、压制成型后，在脱蜡-烧结一体气压烧结炉内1380℃、氩气压力9～10MPa、保温40min烧结，制得超细硬质合金。
本实施例制得的超细硬质合金硬度为2350HV3、抗弯强度2450MPa。
实施例3：
一种本发明的SiC晶须增韧超细硬质合金，包括以下质量含量的成分：碳化钨：66.72％、钨钽复式碳化物：30％、钴：1.5％、镍：0.5％、二碳化三铬：0.35％、碳化钒：0.3％；碳化硅：0.5％、钇：0.05％和镧：0.08％。
本实施例的SiC晶须增韧超细硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取133.44KgWC粉(费氏粒度0.4μm)、60Kg钨钽复式碳化物(粒度小于1μm)、3KgCo粉(近球形，费氏粒度为0.6μm)、1KgNi、0.7Kg Cr3C2、0.6KgVC、1KgSiC晶须、0.43KgY(NO3)3·6H2O、0.5KgLa(NO3)3·6H2O、90升无水乙醇、1400Kg硬质合金球磨棒加入到球磨机，混合湿磨100h；
(2)将步骤(1)的混合料经过过筛干燥、压制成型后，在脱蜡-烧结一体气压烧结炉内1415℃、氩气压力9～10MPa、保温60min烧结，制得超细硬质合金。
本实施例制得的超细硬质合金硬度为2310HV3、抗弯强度2520MPa。
对比例1：
参照实施例1的方法制备超细硬质合金，与实施例1不同的是，本对比例的合金不含SiC，SiC由WC代替。测得本对比例合金的硬度为2390HV3、抗弯强度为2080MPa。
对比例2：
参照实施例1的方法制备超细硬质合金，与实施例1不同的是，本对比例不含钨钽复式碳化物，钨钽复式碳化物由WC代替。
抗氧化性测试：20.0mm×6.5mm×5.25mm规格的本对比例合金试样在900℃空气环境下放置1h，增重3.15％。

Claims (10)

1.一种SiC晶须增韧超细硬质合金，其特征在于，以重量份计，所述超细硬质合金包括以下成分：
碳化钨：65.0～77.0份、
钨钽复式碳化物：20.0～30.0份、
钴：1.0～2.0份、
镍：0.3～0.8份、
二碳化三铬：0.3～0.8份、
碳化钒：0.1～0.5份、
碳化硅晶须：0.1～0.6份、
稀土：0.05～0.5份。
2.如权利要求1所述的SiC晶须增韧超细硬质合金，其特征在于，所述稀土为钇和镧。
3.一种SiC晶须增韧超细硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按重量份，称取65.0～77.0份WC粉、20.0～30.0份钨钽复式碳化物、1.0～2.0份钴粉、0.3～0.8份羟基Ni粉、0.1～0.6份SiC晶须、0.3～0.8份Cr3C2、0.1～0.5份VC和0.05～0.50份稀土添加剂；
(2)将步骤(1)的物料混合后转移至球磨机中进行湿磨，湿磨80～120h，然后经干燥、压制成型、烧结，即制得SiC晶须增韧超细硬质合金。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述烧结采用脱蜡–烧结一体气压烧结炉或SPS放电等离子烧结炉完成。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用脱蜡–烧结一体气压烧结炉进行烧结的温度为1380～1420℃，烧结时间为40～60min，烧结过程中炉内氩气压力9～10MPa；采用SPS放电等离子烧结前先在脱蜡炉内600℃条件下脱蜡，SPS放电等离子烧结的温度为1200～1350℃，烧结保温20～40min。
6.如权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钨钽复式碳化物的粒度小于1μm；所述钴粉为近球形钴粉，费氏粒度为0.5～0.8μm；所述WC粉的费氏粒度0.2～0.4μm。
7.如权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述Cr3C2和VC的质量比为(1～3)：1。
8.如权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述稀土添加剂为六水硝酸钇和六水硝酸镧的混合物，二者的质量比为(0.5～2):1。
9.如权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，湿磨过程中的球料比为6～8:1，液固比420～450mL/Kg，湿磨介质为无水乙醇。
10.一种如权利要求1-2任一项所述的SiC晶须增韧超细硬质合金或权利要求3-9任一项所述的制备方法制备得到的SiC晶须增韧超细硬质合金在木工锯齿、刀具中的应用。
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