CN112430769A - 一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐磨WC‑Co‑Ti3SiC2硬质合金及其制备方法，属于硬质合金材料技术领域。本发明利用钛硅碳所具有的自润滑性和耐磨性好等优点，通过控制Ti3SiC2的质量百分含量能够使得硬质合金在室温下保持较优的耐磨性与润滑性。本发明通过控制真空液相烧结过程的温度和通入氩气的流量，能够避免Ti3SiC2材料在高温高压下的分解，又可防止Co粘结相的挥发，从而充分发挥Ti3SiC2材料的自润滑和耐磨性好等优点，进而提高硬质合金的耐磨性和硬度。本发明制备的硬质合金具有硬度高、耐磨性好等优点，且具有较低磨擦系数和自润滑性，可广泛应用于耐磨件、刀具和钻探工具等领域。

Description

一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金材料技术领域，尤其涉及一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金及其制备方法。
背景技术
硬质合金是由高硬度难熔的金属碳化物粉末(WC、TiC、TiN等)为主相，以过渡族金属钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)等作为粘结相高温烧结而成的合金材料。由于Co具有良好的润湿性、屈服和加工硬化行为，而WC具有高的熔点、硬度、化学稳定性和热稳定性的特点，所以WC-Co硬质合金具有高强度、高硬度和高韧性等许多优异性能，故而被广泛地应用于切削、钻探、矿山、机加工及耐磨件等领域。
鉴于硬质合金刀具正在向高效、高精度、高可靠性和专用化方向发展，并且随着高速连续干切削加工技术、精密加工技术、绿色制造加工技术、微细和纳米加工及各种难加工材料的技术、微细和纳米加工及各种难加工材料的出现、发展与应用，对刀具材料提出了更高、更新的要求。尤其是在加工镍基高温合金等难加工材料时，普通晶粒度硬质合金刀具会出现崩刃和后刀面磨损严重等问题，因此对硬质合金刀具材料的硬度、强度、耐磨性有更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金及其制备方法，本发明制备的硬质合金表面具有良好的耐磨减摩性，且该硬质合金具有硬度高、耐磨性好、使用寿命长的优点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
将硬质合金原料与成形剂混合，进行球磨，得到混合粉体；
将所述混合粉体进行压制，得到成型生坯；
在氩气气氛下，将所述成型生坯进行真空液相烧结，得到耐磨 WC-Co-Ti3SiC2硬质合金；所述真空液相烧结的温度为1350～1450℃；所述氩气气氛中氩气的流量为5～20slm；
所述硬质合金原料包括以下质量百分含量的组分：
碳化钨77～93.8％，钴粉6～15％，钛硅碳0.2～8％。
优选的，所述硬质合金原料中碳化钨、钴粉和钛硅碳的粒径独立为 0.2～5.0μm。
优选的，所述成形剂为聚乙二醇，所述硬质合金原料与成形剂的质量比为1:(0.01～0.03)。
优选的，所述球磨的介质为无水乙醇，所述球磨的时间为24～72h，所述球磨的转速为200～300r/min，所述球磨的球料比为(5～10):1。
优选的，完成所述球磨后，还包括将球磨所得物料进行干燥，得到混合粉体；所述干燥的温度为70～80℃，所述干燥的时间为4～10h，所述干燥在真空旋转蒸发器中进行。
优选的，所述压制的压力为200～400MPa，所述保压时间为0.5～5min。
优选的，所述真空液相烧结的保温时间为1～2h。
优选的，所述真空液相烧结的过程包括：在真空度为10-2～10-3Pa条件下，自室温升温至1250℃，开始通入氩气，并持续升温至所述真空液相烧结的温度，进行真空液相烧结，然后降温至1100℃，停止通入氩气。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的耐磨 WC-Co-Ti3SiC2硬质合金。
优选的，所述耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的维氏显微硬度为16～20GPa，断裂韧性为6～9MPa·m1/2。
本发明提供了一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的制备方法，包括以下步骤：将硬质合金原料与成形剂混合，进行球磨，得到混合粉体；将所述混合粉体依次进行压制，得到成型生坯；在氩气气氛下，将所述成型生坯进行真空液相烧结，得到耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金；所述真空液相烧结的温度为1350～1450℃；所述氩气气氛中氩气的流量为5～20slm；所述硬质合金原料包括以下质量百分含量的组分：碳化钨77～93.8％，钴粉6～15％，钛硅碳0.2～8％。本发明利用钛硅碳所具有的自润滑性和耐磨性好等优点，通过控制Ti3SiC2的质量百分含量能够使得硬质合金在室温下保持较优的耐磨性与润滑性。本发明通过控制真空液相烧结过程的温度和通入氩气的流量，能够避免Ti3SiC2材料在高温高压下的分解，又可防止Co粘结相的挥发，从而充分发挥Ti3SiC2材料的自润滑和耐磨性好等优点，其自润滑性可以提高硬质合金的减摩性。实施例的结果表明，本发明制备的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的硬度为16～20GPa，断裂韧性为6～9MPa·m1/2，与未添加Ti3SiC2的WC-Co 硬质合金相比，本发明的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的摩擦系数降低了近 27.44％，耐磨性提高了近87.01％。因此，本发明制备的硬质合金具有硬度高、耐磨性好等优点，且具有较低磨擦系数和自润滑性，可广泛应用于耐磨件、刀具和钻探工具等领域。
本发明将碳化钨、钴粉和钛硅碳混合并球磨，同时在保护气氛下进行真空液相烧结制备硬质合金，工艺稳定性与重复性强，制备原材料、工艺和设备均相对简单，制造成本低。
附图说明
图1为实施例1～3与对比例1制备的硬质合金的XRD表征图；
图2为实施例1～3与对比例1制备的硬质合金摩擦系数与时间的关系图。
具体实施方式
本发明提供了一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
将硬质合金原料与成形剂混合，进行球磨，得到混合粉体；
将所述混合粉体进行压制，得到成型生坯；
在氩气气氛下，将所述成型生坯进行真空液相烧结，得到耐磨 WC-Co-Ti3SiC2硬质合金；所述真空液相烧结的温度为1350～1450℃；所述氩气气氛中氩气的流量为5～20slm；
所述硬质合金原料包括以下质量百分含量的组分：
碳化钨77～93.8％，钴粉6～15％，钛硅碳0.2～8％。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将硬质合金原料与成形剂混合，进行球磨，得到混合粉体。在本发明中，所述硬质合金原料包括以下质量百分含量的组分：碳化钨77～93.8％，钴粉6～15％，钛硅碳0.2～8％。
以质量百分含量计，本发明所述硬质合金原料包括碳化钨77～93.8％，优选为83～91％，进一步优选为88～90％。在本发明中，所述碳化钨优选以粉末的形式使用，所述碳化钨的粒径优选为0.2～5.0μm。本发明利用碳化钨作为硬质合金的基础原料。
以质量百分含量计，本发明所述硬质合金原料包括钴粉6～15％，优选为 8～12％，更优选为8.0～10％。在本发明中，所述钴粉的粒径优选为0.2～5.0μm。本发明利用钴作为粘结相。
以质量百分含量计，本发明所述硬质合金原料包括钛硅碳(Ti3SiC2) 0.2～8％，优选为0.5～5％，更优选为1～2.5％，进一步优选为2.0％。在本发明中，所述钛硅碳优选以粉末的形式使用，所述Ti3SiC2的粒径优选为0.2～5.0μm。本发明利用Ti3SiC2所具有的自润滑和耐磨性好等优点，控制钛硅碳的质量百分含量在上述范围，能够使得硬质合金在室温下保持较优的耐磨性与自润滑性。
在本发明中，所述成形剂优选为聚乙二醇，所述硬质合金原料与成形剂的质量比优选为1:(0.01～0.03)。本发明利用成形剂将微细的粉末颗粒黏结为稍粗的团粒，以提高粉末的流动性。
本发明对所述硬质合金原料与成形剂混合的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程能够将原料混合均匀即可。
在本发明中，所述球磨的介质优选为无水乙醇，所述球磨的时间优选为 24～72h，更优选为30～60h，进一步优选为36～48h，所述球磨的转速优选为 200～300r/min，更优选为220～280r/min，进一步优选为250～275r/min，所述球磨的球料比优选为(5～10):1，更优选为10:1。本发明对所述球磨的设备没有特殊的限定，采用本领域熟知且能够达到上述参数的球磨设备均可，比如球磨机。本发明通过球磨工艺使粉料混合均匀。
在本发明中，完成所述球磨后，优选还包括将球磨所得物料进行干燥，得到混合粉体；所述干燥的温度优选为70～80℃，更优选为75℃，所述干燥的时间优选为4～10h，更优选为5～8h，进一步优选为6～7h，所述干燥优选在真空旋转蒸发器中进行。本发明通过干燥蒸发掉球磨介质。
得到混合粉体后，本发明将所述混合粉体进行压制。在本发明中，所述压制的压力优选为200～400MPa，更优选为250～350MPa；所述压制的保压时间优选为0.5～5min。本发明对所述压坯的设备没有特殊的限定，选用本领域熟知的设备即可。本发明通过压制获得成型生坯。
得到成型生坯后，本发明在氩气气氛下，将所述成型生坯进行真空液相烧结，得到耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金；所述真空液相烧结的温度为 1350～1450℃；所述氩气气氛中氩气的流量为5～20slm，优选为5～10slm。在本发明中，所述真空液相烧结的温度优选为1360～1420℃，更优选为 1370～1400℃，保温时间优选为1～2h。在本发明中，所述真空液相烧结优选在真空高温气氛炉中进行。
在本发明中，所述真空液相烧结的过程优选包括：在真空度为10-2～10-3Pa 条件下，以升温速率7℃/min，自室温升温至1250℃，开始通入氩气，并以 3℃/min的升温速率持续升温至所述真空液相烧结的温度，进行真空液相烧结，然后随炉冷却降温至1100℃，停止通入氩气，随后冷却至室温，得到耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金。
本发明通过控制真空液相烧结过程的温度和通入氩气的流量，可防止 Co粘结相的挥发，并且合适的烧结温度可以使得合金材料更致密，从而提高材料的硬度。同时，控制真空液相烧结过程的温度和通入氩气的流量又能够避免Ti3SiC2材料在高温高压下的分解，从而充分发挥Ti3SiC2材料的自润滑性等优点，其自润滑性可以提高硬质合金的耐磨性。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的耐磨 WC-Co-Ti3SiC2硬质合金。在本发明中，所述耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的维氏显微硬度为16～20GPa，断裂韧性为6～9MPa·m1/2；与未添加Ti3SiC2的WC-Co硬质合金相比，摩擦系数降低了近27.44％，耐磨性提高了近87.01％。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
硬质合金原料的成分配比(wt％)：Ti3SiC2粉0.5％、碳化钨粉89.5％、钴粉10％；粒径分别为3μm、1μm、1μm；
将所述硬质合金原料与2wt％(聚乙二醇与硬质合金原料的质量比)聚乙二醇混合，进行球磨48h，球磨介质为无水乙醇，球料比为10：1，球磨机主轴转速为300r/min，将所得球磨物料在真空旋转蒸发器中于80℃进行干燥6h，得到混合粉体，将所述混合粉体进行压制，压力为300MPa，保压时间为1min，得到成型生坯；将所述成型生坯装入真空高温气氛炉中，在真空度为10-2～10-3Pa条件下自室温以7℃/min的升温速率升温至1250℃，通入氩气(流量为5～10slm)，并以3℃/min的升温速率持续升温至烧结温度为 1380℃，进行真空液相烧结1h，然后降温(随炉冷却)至1100℃时，停止通入氩气，继续随炉冷却至室温，得到耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金，记为 WC-Co-0.5％Ti3SiC2。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：硬质合金原料的成分配比(wt％)： Ti3SiC2粉2.0％、碳化钨粉88％、钴粉10％；粒径分别为3μm、1μm、1μm，所制备的耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金记为WC-Co-2.0％Ti3SiC2。
实施例3
硬质合金原料的成分配比(wt％)：Ti3SiC2粉5％、碳化钨粉85％、钴粉 10％；粒径分别为3μm、1μm、1μm；
将所述硬质合金原料与2wt％聚乙二醇混合，进行球磨60h，球磨介质为无水乙醇，球料比为10：1，球磨机主轴转速为275r/min，将所得球磨物料在真空旋转蒸发器中于80℃进行干燥6h，得到混合粉体，将所述混合粉体进行压制，压力为300MPa，保压时间为1min，得到成型生坯；将所述成型生坯装入真空高温气氛炉中，在真空度为10E-2～10E-3Pa条件下自室温以 7℃/min的升温速率升温至1250℃，通入氩气(流量为5～10slm)，并以3℃/min 的升温速率持续升温至烧结温度为1400℃，进行真空液相烧结1h，然后降温(随炉冷却)至1100℃时，停止通入氩气，随炉冷却至室温，得到耐磨 WC-Co-Ti3SiC2硬质合金，记为WC-Co-5.0％Ti3SiC2。
对比例1
将实施例1中的Ti3SiC2粉全部替换为WC粉，其他参数和步骤同实施例1，制备得到WC-Co硬质合金材料，记为WC-Co。
性能测试
1)对实施例1～3和对比例1制备的硬质合金进行XRD表征，结果见图 1。由图1可知，本发明实施例1～3制备的硬质合金中主要存在WC、Co和 Ti3SiC2相；由实施例3的图谱中能够看到WSi2相的存在，证明Ti3SiC2含量增大后有一部分Ti3SiC2分解。
2)通过球盘法对实施例1～3和对比例1制备的硬质合金进行摩擦系数与时间关系测试，结果见图2；由图2可知，添加Ti3SiC2的硬质合金的磨合期明显短于未添加的，并且其摩擦系数明显低于未添加的。这说明，说明添加Ti3SiC2可使硬质合金获得一定的减摩能力。
3)采用维氏硬度测定法对实施例1～3和对比例1制备的硬质合金进行力学性能测试，结果见表1。
表1实施例1～3和对比例1制备的硬质合金的性能参数
Figure BDA0002725408740000071
由表1可知，本发明制备的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的硬度明显大于对比例1的WC-Co硬质合金。
4)采用球盘法，在室温、干燥及大气环境下进行试验，往复长度为5mm，往复速度为500r/min，对实施例1～3和对比例1制备的硬质合金进行磨损性能测试，结果见表2。
表2实施例1～3和对比例1制备的硬质合金的平均摩擦系数与磨损速率
Figure BDA0002725408740000072
由图2与表2可知，本发明制备的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的摩擦系数明显低于对比例1的WC-Co硬质合金，且磨损速率明显低于WC-Co硬质合金的磨损量。
此外，结合图2的结果可以推测，添加5wt％Ti3SiC2的硬质合金中出现 WSi2相，这可能是其韧性下降且摩擦系数高于其它实例的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的原因。
由以上实施例可知，本发明提供了一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金及其制备方法，本发明制备的WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的硬度为16～20GPa，断裂韧性为6～9MPa·m1/2。与未添加Ti3SiC2的WC-Co硬质合金相比，摩擦系数降低了近27.44％，耐磨性提高了近87.01％。因此，本发明制备的硬质合金具有硬度高、耐磨性好等优点。本发明的制备原材料、工艺和设备均相对简单，制造成本低。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将硬质合金原料与成形剂混合，进行球磨，得到混合粉体；
将所述混合粉体进行压制，得到成型生坯；
在氩气气氛下，将所述成型生坯进行真空液相烧结，得到耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金；所述真空液相烧结的温度为1350～1450℃；所述氩气气氛中氩气的流量为5～20slm；
所述硬质合金原料包括以下质量百分含量的组分：
碳化钨77～93.8％，钴粉6～15％，钛硅碳0.2～8％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硬质合金原料中碳化钨、钴粉和钛硅碳的粒径独立为0.2～5.0μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成形剂为聚乙二醇，所述硬质合金原料与成形剂的质量比为1:(0.01～0.03)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的介质为无水乙醇，所述球磨的时间为24～72h，所述球磨的转速为200～300r/min，所述球磨的球料比为(5～10):1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，完成所述球磨后，还包括将球磨所得物料进行干燥，得到混合粉体；所述干燥的温度为70～80℃，所述干燥的时间为4～10h，所述干燥在真空旋转蒸发器中进行。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为200～400MPa，保压时间为0.5～5min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空液相烧结的保温时间为1～2h。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述真空液相烧结的过程包括：在真空度为10-2～10-3Pa条件下，自室温升温至1250℃，开始通入氩气，并持续升温至所述真空液相烧结的温度，进行真空液相烧结，然后降温至1100℃，停止通入氩气。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金。
10.根据权利要求9所述的耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金，其特征在于，所述耐磨WC-Co-Ti3SiC2硬质合金的维氏显微硬度为16～20GPa，断裂韧性为6～9MPa·m1/2。
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