CN112853189A - 一种亚微晶硬质合金材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种亚微晶硬质合金材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亚微晶硬质合金材料及其制备方法与应用，其原料按照百分比，由以下几种组份组成：Co 12.5～15.5％，TaC 0.5～1.5％，Cr3C20.5％～1.5％，余量为WC。本发明获得的亚微晶硬质合金材料WC平均晶粒度达到0.55～0.9μm，硬度HV30为1400～1600，抗弯强度不小于4500MPa，断裂韧性在11～13MPam1/2之间。本发明由于选用适量的Cr3C2和TaC作为晶粒生长抑制剂，同时TaC作为第三相能有效的提高合金的高温硬度，保证其在一些干切削工况以及不锈钢等难加工材料领域具有很高的效率和寿命，尤其能满足现代高效加工对大进给工况的要求。

Description

一种亚微晶硬质合金材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种亚微晶硬质合金材料及其制备方法与应用。
背景技术
亚微细晶和超细晶WC-Co类硬质合金具有较高的硬度、韧性和强度，广泛应用于各种材料的加工，金属成型工具和耐磨零件领域。实际应用中根据被加工材料和加工工况合理调整其硬度，强度和韧性能最大化硬质合金刀具材料的寿命。
随着现代切削加工效率的提升和越来越多的难加工材料被使用，切削刀具的服役工况越来越恶劣。其中切削温度的提高是导致刀具材料失效的最主要诱因之一。高温下硬质合金的材料硬度下降易磨损，塑性提高易变形。电子行业中，陶瓷电容器等一些金属和非金属复合材料的切割均在为干切削工况，被加工材料导热率低，刀具刃口切削温度经常在800℃以上，极易磨损。又如3C行业中，高强不锈钢这类难加工材料作为手机结构性零件的应用越来越多。这种金属材料的导热量低且伴有加工硬化，高速切削时刃口温度经常接近1000℃，使得刀具的磨损和变形加快。随着5G时代的到来，电子行业中复合材料和手机行业中不锈钢切削加工迎来了旺盛的市场需求。
目前，国内外市场上满足上述两个应用的刀具材质主要为含钴量在9～12％之间的单一WC粘结相硬质合金，其硬度在HV30：1650～1800之间，抗弯强度在4000MPa以上，断裂韧性在9～11MPam1/2之间。但是在切削温度达到800℃以上时，这类合金的硬度降低到常温硬度的60～80％，极大的影响刀具的寿命。保持高温硬度的方法之一就是在合金中加入一定量的TaC，但是这会导致韧性的一定的下降。目前市面上的这类合金的钴含量均在12wt％以下，韧性均在10MPam1/2以下。这类材料在应用过程经常出现刃口崩缺的情况。本发明拟通过同时增加合金中TaC和钴的含量，并合理选择合金晶粒度以满足上述两个应用对刀具材料的需求。
发明内容
本发明的目的是一种兼具良好耐磨性和韧性亚微晶硬质合金及其方法与应用。
本发明这种亚微晶硬质合金材料，其原料按照百分比，由以下几种组份组成：Co12.5～15.5％，TaC 0.5～2.5％，Cr3C2 0.5％～1.5％，余量为WC。
优选的，所述亚微晶硬质合金材料，其原料按照百分比，由以下几种组份组成：Co13～14％，TaC 0.5～1.5％，Cr3C2 0.8％～0.96％，余量为WC。
所述的WC的费氏粒度为0.55～0.8μm。
本发明这种亚微晶硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配料+球磨：将Co、TaC、Cr3C2和WC按照设定的比例进行混合，并加入成型剂，然后在球磨机中进行球磨，球磨完毕后，进行喷雾干燥，得到混合料；
2)压制+烧结：将步骤1)中的混合料压制成型，然后进行低压烧结，烧结完毕后，得到亚微晶硬质合金材料。
所述步骤1)中，Co、TaC、Cr3C2三种粉末的粒度均小于1.5μm，WC的费氏粒度为0.55～0.8μm。
所述步骤1)中，成型剂为聚乙二醇、石蜡中的一种，成型剂加入量为原料总质量的1～4％；球磨介质为无水酒精，球料比为(5～10):1，球磨机转速为30-40转/分，球磨时间为50～80h。所述步骤2)中，压制成型采用模压、挤压和等静压工序中的一种，低压烧结温度为1350～1450℃，烧结压力为45～100bar，烧结时间为0.5～1h。
所述的亚微晶硬质合金材料中WC平均晶粒度达到0.55～0.9μm，硬度HV30为1400～1600，抗弯强度不小于4500MPa，断裂韧性在11～13MPam1/2之间。
本发明这种亚微晶硬质合金材料在制备树脂基复合材料和不锈钢切削刀具上的应用。
本发明的有益效果：本发明由于选用适量的Cr3C2和TaC作为晶粒生长抑制剂，同时TaC作为第三相能有效的提高合金的高温硬度，保证其在一些干切削工况以及不锈钢等难加工材料领域具有很高的效率和寿命，尤其能满足现代高效加工对大进给工况的要求。
附图说明
图1为实施例1制备的亚微晶硬质合金的扫描电镜照片。
图2为实施例1亚微晶硬质合金与某国外进口材质1制作的切刀在切割陶瓷电容器后的对比图。
图3为实施例2中制备的亚微晶硬质合金的扫描电镜照片。
图4为实施例2制备的亚微晶硬质合金与某国外进口材质2制作的铣刀在铣削316L不锈钢5h后的刃口对比。
具体实施方式
实施例1
配料时选用费氏粒度为1.0um的Co粉重量百分比为14％，0.9um的Cr3C2重量百分比为0.8％，1.0um的TaC重量百分比为1.5％，余量为费氏粒度为0.6um的WC粉末，控制碳平衡为+0.09％，以聚乙二醇为成型剂(成型剂的加入量为4种粉末总质量的2％)，以酒精作球磨介质，液固比500ml/Kg，球料比为7:1，球磨机转速为36转/分，球磨60h，球磨完毕后，进行喷雾干燥制得混合料。混合料经模压成型后，在气压烧结炉1410℃烧结(烧结压力为90bar，烧结时间为30min)，烧结完毕后，进行粗磨后，制得0.3*30*180mm的片材用于切割测试和Φ3.25*38.5mm棒材用于物理性能测试，其HV30为1560，抗弯4612MPa，断裂韧性在11.2MPam1 /2，扫面电镜图如图1所示，从图1可以得出WC平均晶粒度为0.6um。片材与某国外进口材质1(晶粒度0.4um，含钴量12wt％，HV30为1730，抗弯4600MPa，断裂韧性在9.8MPam1/2)加工成0.14*23*220mm切刀(刃口顶角角度60°，刃尖0.7um，表面粗糙度0.09um)进行陶瓷电容器切割测试。经过相同条件下2小时切削对比，两种材料制成刀具的刃口如图2所示。由图2知，对比牌号刃口出现破损无法继续加工；本发明的亚微细晶硬质合金的刃口完好，继续加工至2.5小时，较对比牌号提高25％。
实施例2
配料时选用费氏粒度为0.5um的Co粉重量百分比为13％，1.0um的Cr3C2重量百分比为0.96％，1.0um的TaC重量百分比为0.50％，余量为费氏粒度为0.55um的WC粉末，控制碳平衡为+0.12％，以聚乙二醇为成型剂(成型剂的加入量为4种粉末总质量的2％)，以酒精作球磨介质，液固比500ml/Kg，球料比为8:1，球磨机转速为36转/分，球磨70h，球磨完毕后，进行喷雾干燥制得混合料。混合料经模压成型后，在气压烧结炉1380℃烧结，(烧结压力为90bar，烧结时间为30min)，烧结完毕后进行粗磨，分别制得Φ3.25*38.5mm和Φ6*50的棒材，直径3.25mm棒材用于物理性能测试，其HV30为1500，抗弯4712MPa，断裂韧性在13.7MPam1/2，扫面电镜图如图3所示，从图3可以得出WC平均晶粒度为0.58um。直径6mm棒材切短至100mm长与某国外进口材质2(晶粒度0.4um，含钴量12wt％，HV30为1680，抗弯4000MPa，断裂韧性在10.0MPam1/2)加工成铣刀进行不锈钢侧铣测试。经过5h的切削对比，两种材料制成刀具的刃口如图4所示。由图4知，本发明的亚微细晶硬质合金的刃口完整性明显优于对比牌号。本发明合金继续加工至6小时刃口失效，较对比牌号提高20％。

Claims (9)

1.一种亚微晶硬质合金材料，其特征在于，其原料按照百分比，由以下几种组份组成：Co 12.5～15.5％，TaC 0.5～2.5％，Cr3C2 0.5％～1.5％，余量为WC。
2.根据权利要求1所述的亚微晶硬质合金材料，其特征在于，其原料按照百分比，由以下几种组份组成：Co 13～14％，TaC 0.5～1.5％，Cr3C2 0.8％～0.96％，余量为WC。
3.根据权利要求1所述的亚微晶硬质合金材料，其特征在于，所述的WC的费氏粒度为0.55～0.8μm。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的亚微晶硬质合金材料，其特征在于，所述的亚微晶硬质合金材料中WC平均晶粒度达到0.55～0.9μm，硬度HV30为1400～1600，抗弯强度不小于4500MPa，断裂韧性在11～13MPam1/2之间。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的亚微晶硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配料+球磨：将Co、TaC、Cr3C2和WC按照设定的比例进行混合，并加入成型剂，然后在球磨机中进行球磨，球磨完毕后，进行喷雾干燥，得到混合料；
2)压制+烧结：将步骤1)中的混合料压制成型，然后进行低压烧结，烧结完毕后，得到亚微晶硬质合金材料。
6.根据权利要求5所述的亚微晶硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，Co、TaC、Cr3C2三种粉末的粒度均小于1.5μm，WC的费氏粒度为0.55～0.8μm。
7.根据权利要求5所述的亚微晶硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，成型剂为聚乙二醇、石蜡中的一种，成型剂加入量为原料总质量的1～4％；球磨介质为无水酒精，球料比为(5～10):1，球磨机转速为30-40转/分，球磨时间为50～80h。
8.根据权利要求5所述的亚微晶硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，压制成型采用模压、挤压和等静压工序中的一种，低压烧结温度为1350～1450℃，烧结压力为45～100bar，烧结时间为0.5～1h。
9.根据权利要求1所述的亚微晶硬质合金材料在制备树脂基复合材料和不锈钢切削刀具中的应用。
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