CN114525439A

CN114525439A - 表层缺立方相含锇硬质合金及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN114525439A
Application number: CN202111642359.5A
Authority: CN
Inventors: 于涛; 罗学全; 陈康华; 温光华; 陈响明; 王社权
Original assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co Ltd; Central South University
Current assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co Ltd; Central South University
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-05-24

Abstract

本发明公开了一种表层缺立方相含锇硬质合金及其制备方法和应用，该表层缺立方相含锇硬质合金由包括粘结相粉、Os粉、含钛立方相化合物和硬质相粉的原料混合制备而成，粘结相粉的质量分数为7％～13％，Os粉的质量为粘结相粉质量的15％～35％，含钛立方相化合物的含量为1.0％～8.0％，其余为WC粉，含锇硬质合金的表层为缺立方相结构，Os固溶于粘结相中，含钛立方相化合物包括TiCN。制备方法包括配料、原料混合球磨、混合料干燥制粒、成型和烧结。本发明的表层缺立方相含锇硬质合金具有良好的抗冲击性、抗塑性变形和抗月牙洼磨损性能，在高速、大进给切削参数下能满足钢材金属材料的铣削加工。

Description

表层缺立方相含锇硬质合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种硬质合金刀具材料及其制备方法和应用，具体涉及一种表层缺立方相含锇硬质合金及其制备方法和应用。

背景技术

表层缺立方相硬质合金是通过特殊工艺使硬质合金表层形成一层无立方相的富粘结相层，该富粘结相层结构能够改善CVD涂层引起的微裂纹，还可提高刀具切削时的抗冲击性，芯部含立方相结构保证了刀具切削时的耐磨性和抗高温塑性变形能力。然而，随着被加工材料不断更新换代，切削加工技术也不断发展进步，常规表层缺立方相硬质合金已经不能很好的满足钢材铣削切削加工要求，特别是在高速、大进给条件下，对刀具基体的韧性提出了更高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种兼具很高的硬度、强度及断裂韧性的表层缺立方相含锇硬质合金及其制备方法和应用，可以满足钢材金属材料的高效切削加工。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种表层缺立方相含锇硬质合金，由包括粘结相粉、Os粉、含钛立方相化合物和硬质相粉的原料混合制备而成，所述粘结相粉的质量分数为7％～13％，所述Os粉的质量为所述粘结相粉质量的15％～35％，所述含钛立方相化合物的质量分数为1.0％～8.0％，其余为WC粉；所述表层缺立方相含锇硬质合金的表层为缺立方相结构，Os固溶于粘结相中，所述含钛立方相化合物包括TiCN。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金，优选的，表层缺立方相结构的厚度为5μm～60μm。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金，优选的，所述含钛立方相化合物还包括Ta、Nb元素中一种或两种的碳化物或氮化物。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金，优选的，所述TiCN的质量占原料总质量的0.5％～4％。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金，优选的，所述表层缺立方相含锇硬质合金中的N元素与Ti元素的原子比为0.1～0.5∶1。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金，优选的，所述粘结相粉为Co粉、Ni粉和Fe粉中的一种或多种。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金，优选的，所述Os粉的纯度不低于99.90％。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金，优选的，所述WC粉的Fsss粒度为2.5μm～5.0μm。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金，优选的，所述表层缺立方相含锇硬质合金的原料还包括抑制剂，所述抑制剂包括Cr₃C₂粉和/或VC粉。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的表层缺立方相含锇硬质合金的制备方法，包括以下步骤：配料、原料混合球磨、混合料干燥制粒、成型和烧结，得到表层缺立方相含锇硬质合金。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金的制备方法，优选的，所述烧结包括以下六个阶段：第一阶段，将成型所得压坯置于氢气气氛条件下，升温至成型剂脱除温度，脱除成型剂；第二阶段，继续升温烧结，待烧结温度升至1320℃～1370℃时，通入20mbar～80mbar的惰性保护气体，保温时间为0.5h～1.5h；第三阶段，继续升温至1400℃～1480℃时，通入20mbar～120mbar的惰性保护气体，保温0.5h～1.5h；第四阶段，通入5mbar～100mbar的CO气体，在维持第三阶段烧结温度下保温5min～20min；第五阶段，通入5bar～100bar的Ar气体，在维持第四阶段烧结温度下保温5min～20min；第六阶段，在Ar或H₂气氛下冷却至室温，最终得到表层缺立方相含锇硬质合金。

上述的表层缺立方相含锇硬质合金的制备方法，优选的，所述成型采用的成型剂为PEG4000和PEG1500的混合物或者PEG4000，所述成型剂的总质量为所述混合料质量的2％～3％，当所述成型剂为PEG4000和PEG1500的混合物时，所述PEG1500的添加量为所述混合料质量的0.5％。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的表层缺立方相含锇硬质合金或者上述的制备方法制得的表层缺立方相含锇硬质合金在制备硬质合金刀具中的应用。

上述的应用中，所述硬质合金刀具能够满足高速、大进给切削参数下钢材金属材料的铣削加工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的表层缺立方相含锇硬质合金中，表层缺立方相结构能够改善CVD涂层引起的微裂纹，表层缺立方相结构的钴含量约为硬质合金中标称含量的1.5倍，添加锇会固溶在钴相中，能够大幅度提高硬质合金的强度和断裂韧性，本发明表层缺立方相含锇硬质合金进一步提升了表层缺立方相结构抗CVD涂层微裂纹的性能。该表层缺立方相含锇硬质合金具有良好的抗冲击性、抗塑性变形和抗月牙洼磨损性能。

(2)本发明硬质合金采用高钴含量以及粗颗粒WC，并通过控制Os元素和粘结相粉的添加比例，添加较高比例的Os元素，使硬质合金的抗弯强度和断裂韧性得到显著提升，经过切削试验验证，该硬质合金能够满足高速、大进给等恶劣工况下的钢材金属材料的铣削加工。

(3)本发明提高了硬质合金与CVD涂层的结合力，一方面，在烧结中的高温阶段，通入CO气体，有效降低了硬质合金表面(亦即表层的表面)的钴含量，低钴的硬质合金表面能够更好附着CVD涂层材料；另一方面，添加Os元素会固溶在钴相中，提高了粘结相Co的抗腐蚀性，能够有效改善生产中清洗引起的硬质合金表面钴的腐蚀问题，进而提高了硬质合金涂层刀具的质量。

附图说明

图1为本发明实施例1中表层缺立方相含锇硬质合金的表层截面电镜照片。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1

一种本发明的表层缺立方相含锇硬质合金，由粘结相粉、Os粉、含钛立方相化合物和硬质相粉为原料混合制备而成，粘结相粉为Co粉16kg，Os粉为4kg，含钛立方相化合物由TaC粉4.4kg、NbC粉1.0kg和TiNC粉4.0kg组成，WC粉为170.6kg，即按质量分数计，粘结相粉的质量分数为8％，Os粉的质量为粘结相粉质量的25％，TaC粉的质量分数为2.2％，NbC粉的质量分数为0.5％，TiNC粉的质量分数为2％，其余为WC粉。表层缺立方相含锇硬质合金的表层为缺立方相结构，Os固溶于粘结相中。

本实施例中，表层缺立方相结构的厚度为34.5μm。

本实施例中，表层缺立方相含锇硬质合金的N/Ti原子比为0.15。

本实施例中，Os粉的纯度不低于99.90％。

本实施例中，WC粉的Fsss粒度为3.5μm。

一种本实施例的表层缺立方相含锇硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按上述原料进行配料。

(2)在湿磨机中加入各个原料组分，并按照每公斤混合料加入0.35L酒精作为球磨介质，混合料与球磨棒的重量比为1∶5，球磨时间24小时，球磨后卸料，喷雾干燥制粒。

(3)将制粒混合料压制成型，采用PEG4000成型剂4kg。

(4)按照下面几个阶段进行烧结：第一阶段，将成型所得压坯置于氢气气氛条件下，升温至成型剂脱除温度450℃，脱除成型剂；第二阶段，继续升温烧结，待烧结温度升至1350℃时，通入40mbarAr气体，保温时间为1h；第三阶段，继续升温烧结，待烧结温度升至1465℃时，通入40mbarAr气体，保温1h；第四阶段，通入20mbar的CO气体，在原烧结温度1465℃下保温10min；第五阶段，通入60bar的Ar气体，在原烧结温度1465℃下保温20min；第六阶段，在Ar气氛下冷却至室温，最终得到表层缺立方相含锇硬质合金。

本实施例制备的表层缺立方相含锇硬质合金应用于制备硬质合金车削刀具。

对比例1

一种硬质合金，与实施例1基本相同，区别仅在于：不含Os粉，WC粉为174.6kg。

表1实施例1与对比例1的硬质合金成分及性能表

混合料	实施例1	对比例1
			WC(kg)	170.6	174.6
Co(kg)	16.00	16.00
			TaC(kg)	4.4	4.4
NbC(kg)	1.0	1.0
			TiNC(kg)	4.0	4.0
Os(kg)	4.0	0.0
			硬度(Hv3)	1580	1540
抗弯强度TRS(N/mm<sup>2</sup>)	2670	2300
			断裂韧性K<sub>Ⅰc</sub>(MN/M<sup>3/2</sup>)	11.10	10.60

采用实施例1和对比例1的硬质合金作为基体，制备出RCKT1204MO-NM型号刀片，都进行TiCN和Al₂O₃的CVD涂层，CVD涂层刀具做42CrMo钢切削对比试验，切削参数如下表2。

表2 42CrMo钢切削试验参数

	速度	进给	切深	冷却方式
					切削参数	300m/min	0.4mm/r	3mm	无

在切削试验中，判断刀具失效标准是刀具后刀面磨损达到0.3μm或者刃口崩刃，从表3可以看出，与对比例1的硬质合金制备的CVD刀具相比，本发明所生产的表层缺立方相含锇硬质合金的CVD涂层刀具表现出更好的耐磨性和抗冲击性。

表3 42CrMo钢切削试验结果

图1为本发明实施例1中表层缺立方相含锇硬质合金的表层截面电镜照片，能谱数据见表4，表层缺立方相结构的能谱钴含量为11.81％，Os含量为2.48％，芯部结构的能谱钴含量为7.6％，Os含量为1.64％，无立方相的高钴锇含量的表层结构使合金具有更好抗CVD涂层微裂纹的性能。

表4实施例1的表层缺立方相含锇硬质合金的能谱数据

	W(wt.％)	C(wt.％)	Co(wt.％)	Ta(wt.％)	Nb(wt.％)	Ti(wt.％)	Os(wt.％)
								表层缺立方相	77.84	7.78	11.81	0	0	0	2.48
芯部	75.33	9.58	7.60	2.96	0.43	2.46	1.64

实施例2

一种本发明的表层缺立方相含锇硬质合金，主要由粘结相粉、Os粉、含钛立方相化合物和硬质相粉为原料混合制备而成，粘结相粉为Co粉21kg，Os粉为5.2kg，含钛立方相化合物由TaC粉1.5kg、NbC粉0.9kg和TiNC粉2.6kg组成，WC粉168.8kg，即按质量分数计，粘结相粉质量分数为10.5％，Os粉的质量为粘结相粉质量的24.8％，TaC粉的质量分数为0.75％，NbC粉的质量分数为0.45％，TiNC粉的质量分数为1.3％，其余为WC粉。表层缺立方相含锇硬质合金的表层为缺立方相结构，Os固溶于粘结相中。

本实施例中，表层缺立方相结构的厚度为50μm。

本实施例中，表层缺立方相含锇硬质合金的N/Ti原子比为0.30。

本实施例中，Os粉的纯度不低于99.90％。

本实施例中，WC粉的Fsss粒度为3.0μm。

(1)按上述原料进行配料。

(2)在湿磨机中加入各个原料组分，并按照每公斤混合料加入0.35L酒精作为球磨介质，混合料与球磨棒的重量比为1∶5，球磨时间22小时，球磨后卸料，喷雾干燥制粒。

(3)将制粒混合料压制成型，采用PEG4000成型剂4kg。

(4)按照下面几个阶段进行烧结：第一阶段，将成型所得压坯置于氢气气氛条件下，升温至成型剂脱除温度450℃，脱除成型剂；第二阶段，继续升温烧结，待烧结温度升至1350℃时，通入40mbarAr气体，保温时间为1h；第三阶段，继续升温烧结，待烧结温度升至1410℃时，通入40mbarAr气体，保温1h；第四阶段，通入20mbar的CO气体，在原烧结温度1410℃下保温10min；第五阶段，通入60bar的Ar气体，在原烧结温度1410℃下保温20min；第六阶段，在Ar气氛下冷却至室温，最终得到表层缺立方相含锇硬质合金。

对比例2

一种硬质合金，与实施例2基本相同，区别仅在于：不含Os粉，WC粉为174.0kg。

表5实施例2与对比例2的硬质合金成分及性能表

混合料	实施例2	对比例2
			WC(kg)	168.8	174.0
Co(kg)	21.00	21.00
			TaC(kg)	1.5	1.5
NbC(kg)	0.9	0.9
			TiNC(kg)	2.6	2.6
Os(kg)	5.2	0.0
			硬度(Hv3)	1370	1340
抗弯强度TRS(N/mm<sup>2</sup>)	2950	2510
			断裂韧性K<sub>Ⅰc</sub>(MN/M<sup>3/2</sup>)	13.20	12.4

采用实施例2和对比例2的硬质合金基体，制备出SEET12T3-DM型号刀片，都进行TiCN和Al₂O₃的CVD涂层，CVD涂层刀具做45#钢切削对比试验，切削参数如下表5。

表6 45#钢切削试验参数

	速度	进给	切深	切宽	冷却方式
						切削参数1	220m/min	0.2mm/r	1.0mm	50	无
切削参数2	300m/min	0.3mm/r	1.0mm	50	无

在切削试验中，判断刀具失效标准是刀具后刀面磨损达到0.3μm或者刃口崩刃，从表6可以看出，与对比例2的硬质合金的CVD刀具相比，本发明所生产的表层缺立方相含锇硬质合金的CVD涂层刀具表现出更好的耐磨性，刀具寿命得到明显的提高。

表7 45#钢切削试验结果

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，由包括粘结相粉、Os粉、含钛立方相化合物和硬质相粉的原料混合制备而成，所述粘结相粉的质量分数为7％～13％，所述Os粉的质量为所述粘结相粉质量的15％～35％，所述含钛立方相化合物的质量分数为1.0％～8.0％，其余为WC粉；所述表层缺立方相含锇硬质合金的表层为缺立方相结构，Os固溶于粘结相中，所述含钛立方相化合物包括TiCN。

2.根据权利要求1所述的表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，表层缺立方相结构的厚度为5μm～60μm。

3.根据权利要求1所述的表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，所述含钛立方相化合物还包括Ta、Nb元素中一种或两种的碳化物或氮化物；和/或，所述TiCN的质量占原料总质量的0.5％～4％。

4.根据权利要求3所述的表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，所述表层缺立方相含锇硬质合金中的N元素与Ti元素的原子比为0.1～0.5∶1。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，所述粘结相粉为Co粉、Ni粉和Fe粉中的一种或多种。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，所述Os粉的纯度不低于99.90％。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，所述WC粉的Fsss粒度为2.5μm～5.0μm。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，所述表层缺立方相含锇硬质合金的原料还包括抑制剂，所述抑制剂包括Cr₃C₂粉和/或VC粉。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的表层缺立方相含锇硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：配料、原料混合球磨、混合料干燥制粒、成型和烧结，得到表层缺立方相含锇硬质合金。

10.根据权利要求9所述的表层缺立方相含锇硬质合金，其特征在于，所述烧结包括以下六个阶段：第一阶段，将成型所得压坯置于氢气气氛条件下，升温至成型剂脱除温度，脱除成型剂；第二阶段，继续升温烧结，待烧结温度升至1320℃～1370℃时，通入20mbar～80mbar的惰性保护气体，保温时间为0.5h～1.5h；第三阶段，继续升温至1400℃～1480℃时，通入20mbar～120mbar的惰性保护气体，保温0.5h～1.5h；第四阶段，通入5mbar～100mbar的CO气体，在维持第三阶段烧结温度下保温5min～20min；第五阶段，通入5bar～100bar的Ar气体，在维持第四阶段烧结温度下保温5min～20min；第六阶段，在Ar或H₂气氛下冷却至室温，最终得到表层缺立方相含锇硬质合金。

11.根据权利要求9或10所述的表层缺立方相含锇硬质合金的制备方法，其特征在于，所述成型采用的成型剂为PEG4000和PEG1500的混合物或者PEG4000，所述成型剂的总质量为所述混合料质量的2％～3％，当所述成型剂为PEG4000和PEG1500的混合物时，所述PEG1500的添加量为所述混合料质量的0.5％。

12.一种如权利要求1～8中任一项所述的表层缺立方相含锇硬质合金或者权利要求9～11中任一项所述的制备方法制得的表层缺立方相含锇硬质合金在制备硬质合金刀具中的应用。