CN113737075B

CN113737075B - 一种硬质合金刀具材料及其制备方法

Info

Publication number: CN113737075B
Application number: CN202111039966.2A
Authority: CN
Inventors: 彭建财; 冯燕; 应显军; 唐琛; 王建云
Original assignee: CHENGDU TOOL RESEARCH INSTITUTE CO LTD
Current assignee: CHENGDU TOOL RESEARCH INSTITUTE CO LTD
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2041-09-06
Also published as: CN113737075A

Abstract

本发明公开了一种硬质合金刀具材料及其制备方法，涉及合金材料技术领域，其技术方案要点是：将原料粉末混合均匀，加入成型剂后得混合料粉末；所述原料粉末为：WC粉、Ru粉、TiN粉、Co粉、五元固溶粉，石墨粉；将混合料粉末在200～300MPa下压制成型，得到压坯；将压坯置于烧结炉内，真空升温至900℃，通入N2(99.999％)，炉内压力控制在1000Pa，在1380℃抽出氮气，升温至1420℃，保温45分钟后通入4‑5MPa的氩气，保压10～40分钟后切断程序快速降温，使温度在30‑120分钟内降至800℃以下，烧结出制品。本发明可用于涂层切削刀具，较传统硬质合金切削刀具，硬度高、韧性好，其抗氧化和耐高温性能显著提高。

Description

一种硬质合金刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，更具体地说，它涉及一种硬质合金刀具材料及其制备方法。

背景技术

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，其具有硬度高、强度和韧性相对较好的特点，还具有一定的耐热、耐腐蚀等优良性能。由于硬质合金所具有的特点，在机床行业，硬质合金刀具通常被誉为“工业牙齿”，其产品主要用于制造切削工具和耐磨零部件，可广泛应用于航天航空、汽车、能源、模具等机械加工领域。

风电机组，盾构机等使用的大型轴承，其使用环境恶劣，维修成本高，要求其寿命长，安全可靠性高，运行平稳，且润滑、防腐及密封性能良好，因此轴承不同部位采用不同的材料及热处理，在加工上具有一定的难度。特别是轴承套圈的加工，其锻件毛坯精度不高，存在圆度差、壁厚差偏大、硬度不一等问题，且直径大、效率要求高，特别是一些带孔的套圈，对刀具的韧性要求极高；另外在成品加工过程中为保证外观质量，中间不能接刀，需要刀片具有很好的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种硬质合金刀具材料及其制备方法，用其制备的刀具具备很高的耐磨性、抗冲击强度和抗断裂韧性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硬质合金刀具材料，所述硬质合金刀具材料由原料粉末组成，主要由以下质量分数的原料粉末制备而成：WC粉78％-92％、Ru 粉0.5％-1.5％、TiN粉0.5％-1.5％、Co粉5％-8％、五元固溶粉5％-15％、石墨粉0-0.3％。

本方案还提供了一种硬质合金刀具材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料粉末混合均匀，加入成型剂后得到混合料粉末；

(2)将混合料粉末在200～300MPa下压制成型，得到压坯；

(3)将压坯置于烧结炉内，真空升温至900℃-1250℃，通入纯度为99％以上的N2，炉内压力控制在600～2000Pa，在1350℃～1420℃抽出氮气，升温至1420℃～1475℃，保温30-70分钟后通入1-6MPa 的氩气，保压10～40分钟后切断程序快速降温，使温度在30-120分钟内降至800℃以下，烧结出制品。

本方案的优点：

(1)本发明制备的是一种高强度、高硬度和高韧性的硬质合金刀具材料，用其制备的刀具具备很高的耐磨性、抗冲击强度和抗断裂韧性，特别适合带孔的大型轴承内外圈的加工，也适用于合金钢、镍基合金、耐热不锈钢等材料的重型加工。

(2)本发明制备的硬质合金刀具材料具有很高硬度和耐磨性。

(3)本发明中含有Zr，保留在表层的Zr溶解在粘结剂中，具有固溶强化粘结相的作用；此外，Zr也可以提高刀刃的抗高温变形能力，从而稳定加工精度。

(4)本发明在基体材料中添加Ru，它净化了WC/Co界面并改善其浸润性，同时沉积在WC晶界处形成弥散的质点，起到细化晶粒的作用，提高基体材料的耐磨性能，制得的硬质合金刀具基体材料的抗弯强度≥2000Mpa，洛氏硬度HRA≥90，大大提高了刀具的使用寿命。

更进一步，所述五元固溶粉为由WC(20-40％)、TiC(30-40％)、 TaC(10-20％)、NbC(5-10％)、ZrC(5-15％)五元碳化物混合研磨24-50 小时，压团后于1800℃-2300℃真空烧结保温40-120分钟，破碎，研磨8-30小时制备得到。

进一步，所述五元固溶粉由以下质量分数的原料制备而成，WC： 20-40％、TiC：30-40％、TaC：10-20％、NbC：5-10％、ZrC：5-15％。五元固溶粉组分WC、TiC、TaC、NbC、ZrC均具有高熔点、高硬度、化学稳定性好、导电导热能力强等优点，常应用于硬质合金生产材料。

进一步，所述WC粉由以下质量分数的三种不同粒径的WC晶粒组成，包括3-6μm：50％-70％、1-3μm：20％-40％、0.6-0.8μm：5-20％。在进行研磨时，粒径为0.6-0.8μm的WC粉研磨8-16小时，粒径为 1-3μm的WC粉研磨6-12小时，粒径为3-6μm的WC粉研磨4-8小时。

进一步，步骤(1)中混合均匀采用滚筒球磨机进行湿磨，湿磨介质为正已烷，并在湿磨最终阶段加入混合料总重量1-3％的石蜡做为成型剂。

进一步，步骤(3)中，烧结在300Kg脱脂加压一体炉中进行，烧结过程包括以下三个阶段：

脱蜡阶段，温度从室温升高到450℃-600℃，时间8h-15h；

升温烧结阶段，温度从450℃-600℃升至1250℃-1420℃，时间在2h-8h；

终烧阶段，温度为1420℃-1475℃，保温30-70分钟后通入1-6MPa 的氩气，保压10～40分钟后切断程序快速降温，使温度在30-120分钟内降至800℃以下，烧结出制品。

附图说明

图1是本发明实施例1所得刀具材料的金相图；

图2是本发明实施例1所得刀具材料的金相图；

图3是本发明实施例2所得刀具材料的金相图；

图4是本发明实施例2所得刀具材料的金相图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明

实施例1

一种硬质合金刀具材料，主要由以下质量分数的原料制备而成： WC粉78％-92％、Ru粉0.5％-1.5％、TiN粉0.5％-1.5％、Co粉5％-8％、五元固溶粉5％-15％、石墨粉0-0.3％。其中五元固溶粉由以下质量分数的原料制备而成，WC：20-40％、TiC：30-40％、TaC：10-20％、NbC： 5-10％、ZrC：5-15％。

其一，五元固溶粉制备：将各原料混合，研磨48小时，压团后于2000℃真空烧结保温60分钟，破碎，研磨24小时制备得到。

其二，WC粉制备：粒径为0.6-0.8μm的WC粉研磨12小时，粒径为1-3μm的WC粉研磨8小时，粒径为3-6μm的WC粉研磨5小时。

一种硬质合金刀具材料的制备方法，采用如下步骤制得：

(1)湿磨：按组分配料，将配制好的原材料加入滚筒球磨机进行湿磨，湿磨介质为正已烷，液固比为350ml/Kg，湿磨用的是Ф8的 YG8硬质合金球，球与原料重量比为4：1，在湿磨最终阶段加入混合料总重量2％的石蜡做为成型剂，并继续球磨2小时后卸料；

(2)干燥：球磨到规定时间后将料浆过320目筛网过滤，在双锥真空干燥器内干燥，干燥温度为80℃；

(3)均匀化：干燥后的粉末在专用设备上均匀化处理，然后过 40目筛网；

(4)制粒：将均匀化后的粉末进行擦筛预制粒，最后在圆筒制粒机上滚动制粒，制成混合料；

(5)压制：将步骤4制得的粒料在压机上压制成试样及刀片基体，压制压力为200～300MPa。

(6)烧结：放入脱脂加压一体炉中进行烧结，烧结过程分为三个阶段——脱蜡阶段：温度从室温升高到400℃，时间8h；固相烧结阶段：温度从400℃升至1250℃，时间为1.5h；在900℃，通入N2 (99.999％)，炉内压力控制在1000Pa，在1380℃抽出氮气；终烧阶段：温度为1445℃，保温45分钟后通入5MPa的氩气，保温30分钟，切断程序，使温度迅速在60分钟内降温到800℃以下，烧结出制品。

在本实施例中，具体为：

原料粉末的质量分数为：WC粉79.5％、Ru粉1.2％、TiN粉1.1％、 Co粉6％、五元固溶粉12％、石墨粉0.2％。其中五元固溶粉各组分的质量分数为WC：40％、TiC：35％、TaC：15％、NbC：5％、ZrC：5％。

通过上述制备方法制备出的材质为一种梯度硬质合金，所述梯度硬质合金从外到里由梯度层和芯部基体组成；所述芯部基体包括硬质相、立方相、粘结相，所述梯度层包括硬质相、粘结相。

根据上述制备方法制得硬质合金刀具基体材料ZC1。测得其抗弯强度为2441MPa，洛氏硬度为92.1，梯度层厚度约为25μm，金相照片如图1、图2。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于，原料粉末的质量分数为： WC粉82.3％、Ru粉0.8％、TiN粉1.2％、Co粉7.5％、五元固溶粉8％、石墨粉0.2％。其中五元固溶粉各组分的质量分数为WC：40％、TiC： 35％、TaC：15％、NbC：5％、ZrC：5％。

实施例2所采用制备方法与实施例1类似，制得硬质合金刀具材料ZC2。测得其抗弯强度为2281MPa，洛氏硬度为90.6，梯度层厚度约为21μm，金相照片如图3、图4。

取实施例1、实施例2获得的产品ZC1、ZC2制成车刀片 CNMG120412-NR，并进行CVD涂层，在某大型轴承生产厂家现场与肯纳牌号KCP25进行对比试验，试验结果如表1，表2：

表1

表2

结论：从表1、表2可以看出，将实施例1和实施例2制得的硬质合金刀具材料ZC1和ZC2制成车刀片CNMG120412-NR，进行工件的加工结果显示：在ZC1、ZC2和肯纳牌号KCP25三者在相同的条件下加工相同工件的相同部位，ZC1和ZC2的使用寿命与肯纳牌号KCP25 相当，可以替代进口产品。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种硬质合金刀具材料，其特征在于，由以下质量分数的原料制备而成：WC粉79.5%、Ru粉1.2%、TiN粉1.1%、Co粉6%、五元固溶粉12%、石墨粉0.2%；所述五元固溶粉由以下质量分数的原料制备而成，WC：40%、TiC：35%、TaC：15%、NbC：5%、ZrC：5%。

2.根据权利要求1所述的一种硬质合金刀具材料，其特征在于，WC粉由以下质量分数三种不同粒径的WC晶粒组成，3-6μm：50%-70%、1-3μm：20%-40%、0.6-0.8μm：5-20%。

3.根据权利要求1～2中任一项所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将原料粉末混合均匀，加入成型剂后得到混合料粉末；

(2)将混合料粉末在200～300MPa下压制成型，得到压坯；

(3)将压坯置于烧结炉内，真空升温至900℃-1250℃，通入纯度为99%以上的N2，炉内压力控制在600～2000Pa，在1350℃～1420℃抽出氮气，升温至1420℃～1475℃，保温30-70分钟后通入1-6MPa的氩气，保压10～40分钟后切断程序快速降温，使温度在30-120分钟内迅速降至800℃以下，烧结出制品。

4.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中混合原料粉末采用滚筒球磨机进行湿磨，湿磨介质为正已烷，并在湿磨过程中加入占混合料总重量1-3%的石蜡做为成型剂。

5.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，烧结过程在300Kg脱脂加压一体炉中进行，烧结过程包括以下三个阶段：

脱蜡阶段，温度从室温升高到450℃ -600℃ ，时间8h-15h；

升温烧结阶段，温度从450℃ -600℃ 升至1250℃-1420℃，时间在2h-8h；

终烧阶段，温度为1420℃-1475℃，保温30-70分钟后通入1-6MPa的氩气，保压10～40分钟后切断程序快速降温，使温度在30-120分钟内降至800℃以下，烧结出制品。