CN111876644A - 一种高强韧WC-Co硬质合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于硬质合金制备技术领域，公开一种高强韧WC‑Co硬质合金的制备方法。配制混合粉料，然后球磨、干燥、过筛，装入石墨模具中预压成型；将所得样品连通石墨模具放入振动烧结炉中，炉内气氛为真空或惰性气氛，首先对样品施加30~50 MPa的恒定压力，同时升温至烧结温度1240~1300℃，当达到烧结温度时，将恒定压力切换为振动压力进行振动烧结，其中振动压力的平均值30~50 MPa、振动压力的振动幅度10~50 MPa、振动频率1~10 Hz、振动烧结0.25~1 h；待振动烧结结束后，将振动压力重新切换为恒定压力，加热停止，随炉冷却，当振动烧结炉炉内的温度降到600~1000℃时，卸去恒定压力，并继续随炉自然冷却到室温，制得高强韧WC‑Co硬质合金。本发明制备的高强韧WC‑Co硬质合金，硬度较传统方法提高240 MPa以上，断裂韧性提高9.5%以上。
Description
技术领域
本发明属于硬质合金制备技术领域，特别涉及一种高强韧WC-Co硬质合金的制备方法。
背景技术
WC-Co硬质合金具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性等特点，被广泛应用于切削工具、采矿开采、耐磨零件、模具制造等领域。WC-Co型硬质合金是目前产量和消费量最大的硬质合金材料。但是，由于传统的WC-Co硬质合金的硬度与韧性相互矛盾，两种性能无法同时得到提升，要想提高其中一种性能必定会以牺牲另一种性能为代价，使得WC-Co硬质合金在拓展高端应用受到极大的限制。
为了解决WC-Co硬质合金硬度与韧性之间的矛盾，制备高强韧的硬质合金，研究人员进行了大量的研究，发现制备梯度结构硬质合金、双晶结构硬质合金、超细/纳米晶硬质合金和涂层结构硬质合金都能在一定程度上获得兼具高硬度和韧性的材料。但是，上述几种方法制备工艺繁琐，操作流程复杂，生产成本较高；另一种是制备涂层硬质合金，但是其生产工艺要求严苛，设备投入巨大，生产成本较高，极大地限制了高强韧WC-Co硬质合金的大规模工业化应用。
基于上述情况，为了进一步提高WC-Co硬质合金的性能，拓展其在高端产业的应用，急需开发一种新的高强韧WC-Co硬质合金的制备方法，使得在提高合金硬度和断裂韧性的同时，并不增加传统生产工序，利于大规模的工业化生产。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足之处，本发明的目的旨在提供一种高强韧WC-Co硬质合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高强韧WC-Co硬质合金的制备方法：
（1）、以碳化钨粉末、钴粉末为原料，配制混合粉料，然后进行球磨，球磨后干燥、过筛，装入石墨模具中预压成型；
（2）、将步骤（1）预压成型后所得样品连通石墨模具放入振动烧结炉中，炉内气氛为真空或惰性气氛，首先对样品施加30~50 MPa的恒定压力，同时升温至烧结温度1240~1300℃，当达到烧结温度时，将恒定压力切换为振动压力进行振动烧结，其中振动压力的平均值30~50 MPa、振动压力的振动幅度10~50 MPa、振动频率1~10 Hz、振动烧结0.25~1 h；
（3）、待振动烧结结束后，将振动压力重新切换为恒定压力，加热停止，随炉冷却，当振动烧结炉炉内的温度降到600~1000 ℃时，卸去恒定压力，并继续随炉自然冷却到室温，制得高强韧WC-Co硬质合金。
较好地，步骤（1）中，碳化钨粉末的粒径为1~1.5 μm，钴粉的粒径为0.8~1.3 μm；混合粉料中，碳化钨粉末含量为88~98 wt%，余量为钴粉。
较好地，步骤（1）中，预压成型的压力为5~20 MPa。
较好地，步骤（1）中，球磨转速为120~150 rpm，球磨时间为15~24 h，球磨过程中加入直径为6~12 mm的不锈钢球，球料的质量比（3~5）∶1，每1 kg混合粉料加入200~350 mL的无水乙醇作为球磨介质。
较好地，步骤（1）中，所述干燥为真空干燥，真空干燥的温度为40~60 ℃、时间为2~8 h。
较好地，步骤（1）中，过60~100目筛。
较好地，步骤（2）中，以2~8 ℃/min的升温速度升温至烧结温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）在高强韧WC-Co硬质合金制备烧结过程中仅施加振动压力，与常规高强韧硬质合金相比，不需要额外附加工序，工艺简单，利于规模化生产，同时降低高强韧硬质合金的生产成本；
（2）该制备方法能显著降低烧结温度，缩短烧结时间，减少材料中残余孔隙，抑制晶粒生长，制备出具有高强和高韧性的硬质合金材料；
（3）制备的高强韧WC-Co硬质合金的硬度较传统工艺提高240 MPa以上，断裂韧性提高9.5 %以上，开发的高强韧硬质合金综合性能优于传统工艺方法。
附图说明
图1为实施例1制得的WC-Co硬质合金的SEM图。
图2为实施例2制得的WC-Co硬质合金的SEM图。
图3为对比例1制得的WC-Co硬质合金的SEM图。
图4为对比例2制得的WC-Co硬质合金的SEM图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
下面实施例中的振动烧结炉购自成都易飞得材料科技有限公司的多场耦合实验系统，型号为OPS-2020。
实施例1
本实施例选用粘结相含量为10 wt.%的WC-Co硬质合金，步骤如下：
（1）、以粒径为1.1 μm的碳化钨粉末、粒径为1.0 μm的钴粉末为原料，按照WC粉末含量为90 wt%，钴粉的含量为10 wt%的成分要求配制混合粉料，称重后的混合粉料放入行星球磨机上进行球磨，球磨转速为120 rpm，球磨时间为24 h，球磨过程中加入直径为8 mm的不锈钢球，球料的质量比3∶1，每1 kg混合粉料加入300 mL的无水乙醇作为球磨介质；
（2）、球磨混料后，料浆放入真空干燥箱中在60 ℃的温度下干燥8 h，干燥后的混合粉末在80目筛网下过筛，将过筛后的混合粉末放入石墨模具中在5 MPa的压力下预压成型；
（3）、将样品连同石墨模具装入振动烧结炉内，炉内气氛为真空，真空度维持在1.0×10-3 Pa，首先对样品施加40 MPa的静态恒定压力，同时以8 ℃/min的升温速度，升到烧结温度1240 ℃；
（4）、当达到烧结温度时，立即将静态恒定压力切换为动态振动压力，其中振动压力中值为40 MPa、振动压力的振幅为10 MPa、振动频率为5 Hz、振动烧结时间为1 h；
（5）、待振动烧结结束后，将动态振动压力重新切换为静态恒定压力，加热停止，随炉冷却，当振动烧结炉炉内的温度降到600 ℃时，开始缓慢卸去静态恒定压力到压力为0，并继续随炉自然冷却到室温，制得WC-Co硬质合金。
图1为制备所得WC-Co硬质合金的SEM图，由图测得WC晶粒尺寸为0.92 μm，组织中无明显空洞，且致密度接近100%。
实施例2
与实施例1的区别在于：步骤（4）中，振动压力的振幅为20 MPa，其它均同实施例1。
图2为制备所得WC-Co硬质合金的SEM图，由图测得WC晶粒尺寸为0.89 μm，组织中无明显空洞，且致密度接近100%。
对比例1
与实施例1的区别在于：步骤（4）中，振动压力的振幅为5 MPa，其它均同实施例1。
图3为制备所得WC-Co硬质合金的SEM图，由图测得WC晶粒尺寸为0.94 μm，组织中无明显空洞，且致密度接近100%。
对比例2
本例选用粘结相含量为10 wt.%的WC-Co硬质合金，步骤如下：
（1）、以粒径为1.1 μm的碳化钨粉末、粒径为1.0 μm的钴粉末为原料，按照WC粉末含量为90 wt%，钴粉的含量为10 wt%的成分要求配制混合粉料，称重后的混合粉料放入行星球磨机上进行球磨，球磨转速为120 rpm，球磨时间为24 h，球磨过程中加入直径为8 mm的不锈钢球，球料的质量比3∶1，每1 kg混合粉料加入300 mL的无水乙醇作为球磨介质；
（2）、球磨混料后，料浆放入真空干燥箱中在60 ℃的温度下干燥8 h，干燥后的混合粉末在80目筛网下过筛，将过筛后的混合粉末放入石墨模具中在5 MPa的压力下预压成型；
（3）、将样品连同石墨模具装入振动烧结炉内，炉内气氛为真空，真空度维持在1.0×10-3 Pa，对样品施加40 MPa的静态恒定压力，同时以8 ℃/min的升温速度，升到烧结温度1240 ℃；当达到烧结温度时，维持静态恒定压力保温1 h；
（4）、待保温结束后，加热停止，随炉冷却，当振动烧结炉炉内的温度降到600 ℃时，开始缓慢卸去静态恒定压力到压力为0，并继续随炉自然冷却到室温，制得WC-Co硬质合金。
图4为制备所得WC-Co硬质合金的SEM图，由图测得WC晶粒尺寸为0.99 μm，组织粗大，无明显空洞，且致密度接近100%。
对实施例1、实施例2、对比例1和对比例2所制备的WC-Co硬质合金，进行硬度断裂韧性测试。实施例和对比例的性能是在相同实验方法测试得到，实施例与对比例的力性能详见下表1。
由表1可知：相对传统烧结（对比例2），当振动压力的振幅为5 MPa时（对比例1），材料的硬度明显提高，但是并没有明显改善材料的断裂韧性，当振动压力的振幅≥10 MPa时（实施例1和实施例2），材料硬度和断裂韧性得到明显提高，能够制备出具有高强高韧的硬质合金，并且制备的高强韧WC-Co硬质合金的硬度较传统工艺提高240 MPa以上，断裂韧性提高9.5 %以上。
Claims (7)
1.一种高强韧WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于：
（1）、以碳化钨粉末、钴粉末为原料，配制混合粉料，然后进行球磨，球磨后干燥、过筛，装入石墨模具中预压成型；
（2）、将步骤（1）预压成型后所得样品连通石墨模具放入振动烧结炉中，炉内气氛为真空或惰性气氛，首先对样品施加30~50 MPa的恒定压力，同时升温至烧结温度1240~1300℃，当达到烧结温度时，将恒定压力切换为振动压力进行振动烧结，其中振动压力的平均值30~50 MPa、振动压力的振动幅度10~50 MPa、振动频率1~10 Hz、振动烧结0.25~1 h；
（3）、待振动烧结结束后，将振动压力重新切换为恒定压力，加热停止，随炉冷却，当振动烧结炉炉内的温度降到600~1000 ℃时，卸去恒定压力，并继续随炉自然冷却到室温，制得高强韧WC-Co硬质合金。
2.如权利要求1所述的高强韧WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，碳化钨粉末的粒径为1~1.5 μm，钴粉的粒径为0.8~1.3 μm；混合粉料中，碳化钨粉末含量为88~98 wt%，余量为钴粉。
3.如权利要求1所述的高强韧WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，预压成型的压力为5~20 MPa。
4.如权利要求1所述的高强韧WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，球磨转速为120~150 rpm，球磨时间为15~24 h，球磨过程中加入直径为6~12 mm的不锈钢球，球料的质量比（3~5）∶1，每1 kg混合粉料加入200~350 mL的无水乙醇作为球磨介质。
5.如权利要求1所述的高强韧WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述干燥为真空干燥，真空干燥的温度为40~60 ℃、时间为2~8 h。
6.如权利要求1所述的高强韧WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，过60~100目筛。
7.如权利要求1所述的高强韧WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，以2~8 ℃/min的升温速度升温至烧结温度。
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