CN111118376A - 一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金、其制备方法及切削工具 - Google Patents

一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金、其制备方法及切削工具 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种高硬度高强度WC‑Co基硬质合金，包括以下按重量份数算的原料：80‑90份WC粉末，5‑15份Co粉末，0.5‑3份添加剂；所述添加剂由金属碳化物和金属氮化物组成；该硬质合金的抗弯强度高达4810N/mm2，硬度高达94.5HRa，本发明还公开了该硬质合金的制备方法，采用0.8μm及以下的原料进行多阶段烧成制备该硬质合金，采用的添加剂有效抑制合金烧结生长中聚晶的形成，从而实现硬质合金的高硬度高强度性能，本发明还公开了一种采用该硬质合金制得的切削工具由于其强度和硬度的增加，改善了耐缺损性，明显增加了使用寿命。

Description

一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金、其制备方法及切削工具
技术领域
本发明涉及硬质合金领域，特别是一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金、其制备方法及切削工具。
背景技术
硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物的微米级/纳米级粉末为主要成分(即作为硬质相)，以钴(Co)为粘结相，辅以抑制剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。而目前的硬质合金材料，硬度和抗弯强度是重要的两项检测标准。其中细颗粒粉末制备的硬质合金相比中粗颗粒粉末制备的硬质合金而言，具有更高的抗弯强度以及硬度。目前细颗粒硬质合金的市场上，常见的主流产品的硬度为91.5-94HRA，抗弯强度为3500-4200N/mm2。由于粉末颗粒较细，为了抑制其在高温烧结成型的过程中出现碳化物晶粒的增长，通常会在原料中加入抑制剂，通过阻碍WC在Co相中的溶解-析出过程来抑制晶粒长大。但在合金烧结的过程中常常出现晶粒聚集形成聚晶，从而形成瓶颈，导致合金强度难以提升。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金，包括以下按重量份数算的原料：80-90份WC粉末、5-15份Co粉末、0.5-3份添加剂；
所述添加剂由金属碳化物和金属氮化物组成。
优选地，所述金属碳化物占原料总重量的0-3％。
优选地，所述金属碳化物中的金属元素为Cr、V、Ta、Ti中的一种或多种。
优选地，所述金属氮化物占原料总重量的0-3％。
优选地，所述金属氮化物中金属元素为Cr、V、Ta、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Mn、镧系稀土元素中的一种或多种。
优选地，所述WC粉末和/或Co粉末和/或添加剂的粒度为0.1-1μm。
本发明还公开了一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：将WC粉末、Co粉末、添加剂磨碎后，卸料、干燥、擦筛、压制成型成试样条；
S2：然后将所述试样条进行烧结；烧结依序包括以下阶段：
氢气正压脱蜡阶段：烧结温度为25-500℃，持续时间为900-1300min；
真空烧结阶段：烧结温度为500-1350℃，持续时间为200-300min；
分压烧结阶段：烧结温度为1350-1410℃，持续时间为40-80min；
高压烧结阶段：烧结温度为1410℃，持续时间为20-30min；
S3：烧结完成后，随炉冷却。
进一步地，所述的步骤S1中的磨碎工艺采用球磨机，以乙醇为研磨介质，聚乙二醇为粘结剂，混合成初始物料，在转速50rpm和球料质量比5-15:1的条件下，球磨10-20h充分磨合成混合料；混合料经干燥、筛分，并在单向荷载5-15MPa下模压成型成所述试样条。
进一步地，所述的步骤S3中，冷却的降温速率5-10℃/min，氩气保护。
本发明还公开了一种含有上述任意一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的切削工具。
本发明的有益效果：本发明公开的的硬质合金具有高强度和高硬度，抗弯强度可达3800-4600N/mm2，硬度可达92.5-94.5HRa，其中优选实施例，抗弯强度高达4810N/mm2，硬度高达94.5HRa；
本发明公开的硬质合金制备方法中调整球磨时间，使原料混合更均匀，粒度更为平均，进行多阶段烧成，采用由金属碳化物和金属氮化物组成的特殊添加剂(抑制剂)，有效抑制合金烧结生长中聚晶的形成，从而实现硬质合金的高硬度高强度性能；
本发明公开的切削工具，由于采用的硬质合金的强度和硬度的增加，改善了耐缺损性，明显增加了使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例2试样在光学显微镜下1000倍的金相图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
实施例1
一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金，包括以下按重量份数算的原料：80份WC粉末，5份Co粉末，0.5份添加剂；
所述添加剂由金属碳化物Cr3C2和金属氮化物Cr3N2组成。
所述金属碳化物占原料总质量的0.1％。
所述金属氮化物占原料总质量的0.1％。
所述WC粉末、Co粉末的平均粒度为0.3μm。
一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按比例取WC粉末，Co粉，添加剂，以乙醇为研磨介质，PEG(聚乙二醇)为粘结剂，混合成初始物料，用球磨机在转速50rpm和球料质量比5:1的条件下，球磨10h充分磨合成混合料，混合料经干燥、筛分，并在单向荷载5MPa下模压成型成试样条；
S2：然后将成型试样条放入真空炉内烧结；烧结依序包括以下阶段：
25-500℃为氢气正压脱蜡阶段，10-15Pa，升温速率为5℃/min，该阶段持续900min；
500-1350℃为真空烧结阶段，升温速率为15℃/min，该阶段持续200min；
1350-1410℃为分压烧结阶段，升温速率为10℃/min，在10-15Pa压力下，该阶段持续40min；
1410℃为高压烧结阶段，在10-15Mpa压力下，该阶段持续20min；
S3：烧结完成后，随炉冷却；冷却的降温速率5℃/min，氩气保护。
实施例2
一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金，包括以下按重量份数算的原料：85份WC粉末，10份Co粉末，1份添加剂；
所述添加剂由金属碳化物VC和金属氮化物VN组成。
所述金属碳化物占原料总质量的0.3％。
所述金属氮化物占原料总质量的0.3％。
所述WC粉末和Co粉末的粒度为0.6μm。
一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按比例取WC粉末、Co粉、添加剂，以乙醇为研磨介质，PEG(聚乙二醇)为粘结剂，混合成初始物料，用球磨机在转速50rpm和球料质量比10:1的条件下，球磨15h充分磨合成混合料。混合料经干燥、筛分，并在单向荷载5-15MPa下模压成型成试样条；
S2：然后将成型试样条放入真空炉内烧结；烧结依序包括以下阶段：
25-500℃为氢气正压脱蜡阶段，升温速率为5℃/min，在10-15Pa压力下，该阶段持续1150min；
500-1350℃为真空烧结阶段，升温速率为12℃/min，该阶段持续240min；
1350-1410℃为分压烧结阶段；升温速率为8℃/min，在10-15Pa压力下下该阶段持续60min；
1410℃为高压烧结阶段；在10-15Mpa压力下，该阶段持续30min；
S3：烧结完成后，随炉冷却；冷却的降温速率8℃/min，氩气保护。
实施例3
一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金，包括以下按重量份数算的原料：90份WC粉末、15份Co粉末、3份添加剂；
所述添加剂由金属碳化物TiC和金属氮化物TaN组成。
所述金属碳化物占原料总质量的0.5％。
所述金属氮化物占原料总质量的0.5％。
所述WC粉末、Co粉末的粒度为0.8μm。
一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按比例取WC粉末、Co粉、添加剂，以乙醇为研磨介质，PEG(聚乙二醇)为粘结剂，混合成初始物料，用球磨机在转速50rpm和球料质量比15:1的条件下，球磨20h充分磨合成混合料。混合料经干燥、筛分，并在单向荷载15MPa下模压成型成试样条；
S2：然后将成型试样条放入真空炉内烧结；烧结依序包括以下阶段：
25-500℃为氢气正压脱蜡阶段，升温速率为5℃/min，在10-15Pa压力下，该阶段持续1300min；
500-1350℃为真空烧结阶段，升温速率为10℃/min，该阶段持续300min；
1350-1410℃为分压烧结阶段，升温速率为12℃/min，该阶段在10-15Pa压力下持续80min；
1410℃为高压烧结阶段；该阶段在10-15Mpa压力下持续30min；
S3：烧结完成后，随炉冷却；冷却的降温速率10℃/min，氩气保护。
实施例4
本实施例是在实施例2的基础上作出的优化，具体是所述金属碳化物占原料总质量的2％；所述金属氮化物占原料总质量的2％，其他同实施例2。
实施例5
本实施例是在实施例2的基础上作出的优化，具体是所述金属碳化物占原料总质量的1％；所述金属氮化物占原料总质量的2％，其他同实施例2。
对比例1
一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金，包括以下按重量份数算的原料：80份WC粉末，20份Co粉末，3份添加剂；
所述添加剂由金属碳化物Cr3C2和VC组成。
Cr3C2占原料总质量的0.1％；
VC占原料总质量的0.1％。
所述WC粉末、Co粉末的粒度为0.8μm。
一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按比例取WC粉末、Co粉、添加剂，以乙醇为研磨介质，PEG(聚乙二醇)为粘结剂，混合成初始物料，用球磨机在转速50rpm和球料质量比10:1的条件下，球磨10-20h充分磨合成混合料。混合料经干燥、筛分，并在单向荷载5-15MPa下模压成型成试样条；
S2：然后将成型试样条放入真空炉内烧结；烧结依序包括以下阶段：
25-500℃为氢气正压脱蜡阶段，升温速率为5℃/min，该阶段在10-15Pa压力下时间持续1300min；
500-1350℃为真空烧结阶段，升温速率为12℃/min，该阶段持续300min；
1350-1410℃为分压烧结阶段，升温速率为10℃/min，该阶段在10-15Pa压力下持续80min；
1410℃为高压烧结阶段；该阶段在10-15Mpa压力下持续30min；
S3：烧结完成后，随炉冷却；冷却的降温速率10℃/min，氩气保护。
将上述实施例1-5，对比例1的硬质合金进行抗弯强度以及硬度测试；同时图1为实施例2的试样条在光学显微镜下1000倍的金相照片(10μm的粒度下)。
硬度测试采用洛氏硬度HRa标准测量；
抗弯强度：采用GB 3851-1983硬质合金抗弯强度测定方法；
测试值如下表1：
表1实施例1-5、对比例1的硬质合金的抗弯强度、硬度测试值
试样 抗弯强度(N/mm<sup>2</sup>) 洛氏硬度(HRa)
实施例1 4210 93.5
实施例2 4810 94.5
实施例3 4570 92.5
实施例4 4321 93.5
实施例5 4413 93.5
对比例1 3760 81.5
从表1可以看出，实施例1-3的抗弯强度高达4324N/mm2，洛氏硬度高达94.5HRa，优于对比例1的测试值，说明本发明采用的添加剂(金属碳化物、金属氮化物)优于单一选用的添加剂(金属碳化物)，结合图1，说明试样中无聚晶态粒子，表明采用本发明的添加剂，氮化物金属中的N元素和W、V、Ti、Cr等金属元素在粘结相Co中的溶解析出过程，该过程能够有效抑制WC晶粒的长大，并且与C元素形成碳氮化合物，使WC晶粒的溶解析出更均匀，有效抑制聚晶的形成，即有效抑制了合金烧结生长中聚晶的形成，从而实现硬质合金的高硬度高强度性能。
将上述实施例2的硬质合金制造切削工具，在以下的切削条件下用该切削工具进行切削试验，将结果示于表2。
(磨损评价)
被削材料：SCM435
切削速度：250m/分钟
进给：0.30mm/rev
切深：2.0mm
切削状态：湿式(使用水溶性切削液)
评价方法：磨损量达到0.2mm的时间
(缺损评价)
被削材料：SCM440(5mm宽度×4条槽)
切削速度：250m/分钟
进给：0.30mm/rev
切深：1.5mm
切削状态：湿式(使用水溶性切削液)
评价方法：刀刃产生缺损为止的撞击次数
表2实施例2试样制得切削工具的磨损评价和缺损评价
试样 磨损评价(min) 缺损评价(次)
实施例2 20 2100
对比例1 13 800
从表2可以看出，实施例2制得的切削工具的磨损评价和缺损评价均优于对比例1，说明采用本发明硬质合金制得的切削工具由于硬质合金强度和硬度的增加，改善了切削工具的耐缺损性，明显增加了切削工具的使用寿命。
上述实施例仅描述现有设备最优使用方式，而运用类似的常用手段代替本实施例中的元素，均落入保护范围。

Claims (10)

1.一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金，其特征在于：包括以下按重量份数算的原料：80-90份WC粉末，5-15份Co粉末，0.5-3份添加剂；
所述添加剂由金属碳化物和金属氮化物组成。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金及其制备方法，其特征在于：所述金属碳化物占原料总重量的0-3％。
3.根据权利要求2所述的一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金及其制备方法，其特征在于：所述金属碳化物中的金属元素为Cr、V、Ta、Ti中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金及其制备方法，其特征在于：所述金属氮化物占原料总重量的0-3％。
5.根据权利要求4所述的一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金及其制备方法，其特征在于：所述金属氮化物中金属元素为Cr、V、Ta、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Mn、镧系稀土元素中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金及其制备方法，其特征在于：所述WC粉末和/或Co粉末和/或添加剂的粒度为0.1-1μm。
7.一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将WC粉末、Co粉末、添加剂磨碎后，卸料、干燥、擦筛、压制成型成试样条；
S2：然后将所述试样条进行烧结；烧结依序包括以下阶段：
氢气正压脱蜡阶段：烧结温度为25-500℃，持续时间为900-1300min；
真空烧结阶段：烧结温度为500-1350℃，持续时间为200-300min；
分压烧结阶段：烧结温度为1350-1410℃，持续时间为40-80min；
高压烧结阶段：烧结温度为1410℃，持续时间为20-30min；
S3：烧结完成后，随炉冷却。
8.根据权利要求7所述的一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中的磨碎工艺采用球磨机，以乙醇为研磨介质，聚乙二醇为粘结剂，混合成初始物料，在转速50rpm和球料质量比5-15:1的条件下，球磨10-20h充分磨合成混合料；混合料经干燥、筛分，并在单向荷载5-15MPa下模压成型成所述试样条。
9.根据权利要求7所述的一种高硬度高强度WC-Co基硬质合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤S3中，冷却的降温速率5-10℃/min，氩气保护。
10.一种含有权利要求1-6任一项所述的高硬度高强度WC-Co基硬质合金的切削工具。
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