專利名稱：梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬切削用硬質(zhì)合金刀具領(lǐng)域，尤其涉及一種硬質(zhì)合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金刀片廣泛應(yīng)用于金屬切削加工領(lǐng)域，車削用的硬質(zhì)合金刀片基體一般由平均粒度介于1 μ m 5 μ m的WC、平均粒度介于1 μ m 5 μ m的立方相碳化物或碳氮化物、 以及5wt. % 15wt. %的金屬粘結(jié)相組成。硬質(zhì)合金的性能可以通過調(diào)整WC和立方相顆粒粒度、粘結(jié)相體積分數(shù)以及碳含量來得到優(yōu)化。通過加入一定量的立方相化合物可以提高硬質(zhì)合金的耐磨性、高溫硬度、抗氧化性以及抗腐蝕性能。然而，立方相化合物雖然硬度比 WC高，但是其脆性也大，因此加入立方相化合物后硬質(zhì)合金的強度和韌性會下降。而且立方相化合物在燒結(jié)過程中容易聚集長大，尤其當WC粒度較細時立方相化合物的聚集長大會使硬質(zhì)合金的性能急劇下降。因此，為了削弱立方相化合物對硬質(zhì)合金強度和韌性的影響， 車削用硬質(zhì)合金刀片基體一般制備成具有表層富粘結(jié)相而無立方相化合物的梯度結(jié)構(gòu)。在早期的有關(guān)梯度硬質(zhì)合金的專利文獻(如US4548786A號美國專利文獻、 US5484468A號美國專利文獻)中，立方相碳化物含量一般都在5wt. %以上，如此高的含量會造成燒結(jié)過程中立方相碳化物聚集長大和溶解析出長大。現(xiàn)有技術(shù)中WC以及立方相碳化物的粒度都在1 μ m以上，因此限制了硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍；另外，當立方相碳化物含量較低時也存在問題，主要表現(xiàn)為燒結(jié)形成的梯度層厚度太大，并且很難在不影響硬質(zhì)合金其他性能的情況下控制梯度層的厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種耐磨性好、刃口強度高、抗塑性變形能力強的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，還相應(yīng)提供一種該超細硬質(zhì)合金的制備工藝。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金， 該超細硬質(zhì)合金是以Co、Ni、Fe中一種或幾種金屬元素作為粘結(jié)相，以WC和立方相化合物作為硬質(zhì)相，所述立方相化合物為過渡金屬Ti、Ta、Nb的碳化物和/或碳氮化物，所述粘結(jié)相的含量為% 12wt. %，所述立方相化合物的含量為0. 4wt. % 1. 2wt. %，其余主要為 WC;所述超細硬質(zhì)合金設(shè)有表層梯度結(jié)構(gòu)，所述表層梯度結(jié)構(gòu)中富集有粘結(jié)相但幾乎不含所述的立方相化合物，所述表層梯度結(jié)構(gòu)中的Co平均含量為所述超細硬質(zhì)合金中標稱Co 含量的1 2倍；所述硬質(zhì)相中WC的平均粒度為0. 6 μ m 1. 0 μ m，所述立方相化合物的平均粒度為WC的0. 5 1. 5倍。上述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金中，所述硬質(zhì)相中WC的平均粒度更優(yōu)選為 0. 8 μ m ~ 1. 0 μ m。上述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金中，所述立方相化合物的粒度優(yōu)選為WC粒度的0.8 1. 2 倍。上述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金中，所述表層梯度結(jié)構(gòu)中的Co平均含量優(yōu)選為所述超細硬質(zhì)合金中標稱Co含量的1 1. 5倍。上述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金中，所述表層梯度結(jié)構(gòu)的厚度優(yōu)選為ΙΟμπι 50 μ m, MVti&^J 10 μ m 30 μ m。上述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金中，所述立方相化合物的含量優(yōu)選為0. 4wt. %
1.Owt. % (更優(yōu)選在 0. 6wt. % 0. 8wt. %)，且 Ti/ (Ti+Ta+Nb)的原子比介于 0. 3 0. 8 之間(更優(yōu)選在0.4 0.6)。 上述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金中，所述超細硬質(zhì)合金中的N/Ti的原子比優(yōu)選介于0. 1 0. 5之間(更優(yōu)選在0. 2 0. 4)。作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金的制備工藝，所述制備工藝包括原料配制、球磨混合、壓制成型和燒結(jié)四個步驟，所述燒結(jié)步驟依次包括升溫燒結(jié)、保溫燒結(jié)和燒結(jié)冷卻三個階段，其特征在于
所述升溫燒結(jié)是指將所述壓制成型后的粗坯置于真空環(huán)境下，燒結(jié)至110(TC 13000C (優(yōu)選燒結(jié)至1150°C 1250°C)，在該首次控溫區(qū)間保溫5min 60min (優(yōu)選保溫 20min 40min)，然后繼續(xù)升溫至1340°C 1370°C，再通入20mbar 80mbar惰性氣體，在惰性氣體保護下燒結(jié)至1410°C 1450°C ；
所述保溫燒結(jié)是指在上述燒結(jié)至1410°C 1450°C溫度后，通入IOmbar IOOmbar的氮氣，保溫30min 90min ；
所述燒結(jié)冷卻是指在上述保溫燒結(jié)階段結(jié)束后，在原有的氮氣氣氛下先冷卻至 1300°C 1100°C (優(yōu)選1250°C 1200°C)的冷卻溫區(qū)，最后在氫氣氣氛下冷卻至室溫，得到梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
首先，本發(fā)明方法能夠制備出一種梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，該超細硬質(zhì)合金具有超細晶粒尺寸，用其制備的切削刀具具備較高的耐磨性、刃口強度和抗高溫塑性變形能力，非常適合用作不銹鋼、高溫合金以及鑄鐵精加工刀具的基體材質(zhì)；
其次，本發(fā)明的超細硬質(zhì)合金具有富粘結(jié)相而無立方相的表層梯度結(jié)構(gòu)，這使得切削刀具具有優(yōu)良的刃口強度和抗沖擊性能；
再次，本發(fā)明的燒結(jié)工藝能夠提高超細硬質(zhì)合金的韌性，同時通過K氣氛能精確控制表層梯度結(jié)構(gòu)厚度。


圖1為本發(fā)明實施例2中梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金的電子顯微照片，圖1中的白色的劃線區(qū)域表示表層梯度結(jié)構(gòu)組織，其中的黑色物質(zhì)為粘結(jié)相，白色物質(zhì)為WC，灰色物質(zhì)為立方相化合物。圖2為圖1中表層梯度結(jié)構(gòu)組織以下芯部的局部放大電子顯微照片，其中的黑色物質(zhì)為粘結(jié)相，白色物質(zhì)為WC，灰色物質(zhì)為立方相化合物。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步描述。實施例1:
一種本發(fā)明的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，該超細硬質(zhì)合金是以金屬Co作為粘結(jié)相，以 WC和立方相化合物作為硬質(zhì)相，該立方相化合物包括TiCN、TiC、TaNbC (TaC和NbC組成的固溶體)，其中Ti/ (Ti+Ta+Nb)的原子比為0. 46 ；粘結(jié)相Co的含量為6wt. %，立方相化合物的含量為0. 9wt. % (包括0. 5wt. %的TaC、0. 2wt. %的NbC和0. 2wt. %的TiC)，超細硬質(zhì)合金中還包括0. 02wt. %的N (本實施例中N/Ti的原子比為0. 34)，其余主要為WC。硬質(zhì)相中WC的平均粒度為0. 8 μ m，立方相化合物TiCN和TiC的平均粒度為1. 0 μ m，立方相化合物TaNbC的粒度為1. 2 μ m，金屬Co的平均粒度為1. 5 μ m。該超細硬質(zhì)合金設(shè)有25 μ m厚的表層梯度結(jié)構(gòu)，表層梯度結(jié)構(gòu)中富集有粘結(jié)相但幾乎不含立方相化合物，位于表層梯度結(jié)構(gòu)中的Co平均含量為所述超細硬質(zhì)合金中標稱Co含量的1. 2倍。本實施例的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金是通過以下步驟制備得到
首先，按比例配制混合原料粉末(原料粉末包括Co粉、TiCN、TiC、TaNbC和WC，原料的具體配比可以由本領(lǐng)域人員根據(jù)常規(guī)技術(shù)手段進行確定)，混合后的原料粉末經(jīng)過球磨混合、 壓制成型得到刀片粗坯，然后對粗坯進行燒結(jié)，燒結(jié)步驟依次包括升溫燒結(jié)、保溫燒結(jié)和燒結(jié)冷卻三個階段先將壓制成型后的粗坯置于真空環(huán)境下，燒結(jié)至1200°C，在該溫度下保溫30min，然后繼續(xù)升溫至1350°C，再通入40mbar氬氣，在氬氣保護下燒結(jié)至1410°C ；在 1410°C溫度下開始保溫，保溫階段開始通入40mbar氮氣，保溫60min后保持燒結(jié)爐內(nèi)氣氛冷卻到1200°C，隨后在氫氣氣氛下冷卻到室溫，得到梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金。實施例2:
一種如圖1和圖2所示的本發(fā)明的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，該超細硬質(zhì)合金是以金屬Co作為粘結(jié)相，以WC和立方相化合物作為硬質(zhì)相，該立方相化合物包括TiCN和TiC ；粘結(jié)相Co的含量為6wt. %，立方相化合物的含量為0. 6wt. %，超細硬質(zhì)合金中還包括0. 02wt. % 的N(本實施例中N/Ti的原子比為0. 3)，其余主要為WC。硬質(zhì)相中WC的平均粒度為0. 8 μ m， 立方相化合物TiCN和TiC的平均粒度為1. 0 μ m，金屬Co的平均粒度為1. 5 μ m。該超細硬質(zhì)合金設(shè)有36. Mym厚的表層梯度結(jié)構(gòu)，表層梯度結(jié)構(gòu)中富集有粘結(jié)相但幾乎不含立方相化合物，位于表層梯度結(jié)構(gòu)中的Co平均含量為所述超細硬質(zhì)合金中標稱Co含量的1. 2 倍。本實施例的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金是通過以下步驟制備得到
首先，按比例配制混合原料粉末(原料粉末包括Co粉、TiCN, TiC和WC，原料的具體配比可以由本領(lǐng)域人員根據(jù)常規(guī)技術(shù)手段進行確定)，混合后的原料粉末經(jīng)過球磨混合、壓制成型得到刀片粗坯，然后對粗坯進行燒結(jié)，燒結(jié)步驟依次包括升溫燒結(jié)、保溫燒結(jié)和燒結(jié)冷卻三個階段先將壓制成型后的粗坯置于真空環(huán)境下，燒結(jié)至1200°C，在該溫度下保溫30min，然后繼續(xù)升溫至1350°C，再通入40mbar氬氣，在氬氣保護下燒結(jié)至1410°C ；在 1410°C溫度下開始保溫，保溫階段開始通入50mbar氮氣，保溫60min后保持燒結(jié)爐內(nèi)氣氛冷卻到1200°C，隨后在氫氣氣氛下冷卻到室溫，得到梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金。實施例3:
一種本發(fā)明的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，該超細硬質(zhì)合金是以金屬Co作為粘結(jié)相， 以WC和立方相化合物作為硬質(zhì)相，該立方相化合物包括TiCN和TiC ；粘結(jié)相Co的含量為6wt. %，立方相化合物的含量為0. 6wt. %，超細硬質(zhì)合金中還包括0. 08wt. %的N (本實施例中N/Ti的原子比為0. 45)，其余主要為WC。硬質(zhì)相中WC的平均粒度為0. 6 μ m，立方相化合物TiCN和TiC的平均粒度為0. 8 μ m，金屬Co的平均粒度為1. 5 μ m。該超細硬質(zhì)合金設(shè)有 40 μ m厚的表層梯度結(jié)構(gòu)，表層梯度結(jié)構(gòu)中富集有粘結(jié)相但幾乎不含立方相化合物，位于表層梯度結(jié)構(gòu)中的Co平均含量為所述超細硬質(zhì)合金中標稱Co含量的1. 15倍。本實施例的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金是通過以下步驟制備得到
首先，按比例配制混合原料粉末(原料粉末包括Co粉、TiCN, TiC和WC，原料的具體配比可以由本領(lǐng)域人員根據(jù)常規(guī)技術(shù)手段進行確定)，混合后的原料粉末經(jīng)過球磨混合、壓制成型得到刀片粗坯，然后對粗坯進行燒結(jié)，燒結(jié)步驟依次包括升溫燒結(jié)、保溫燒結(jié)和燒結(jié)冷卻三個階段先將壓制成型后的粗坯置于真空環(huán)境下，燒結(jié)至1250°C，在該溫度下保溫20min，然后繼續(xù)升溫至1350°C，再通入40mbar氬氣，在氬氣保護下燒結(jié)至1410°C ；在 1410°C溫度下開始保溫，保溫階段開始通入60mbar氮氣，保溫60min后保持燒結(jié)爐內(nèi)氣氛冷卻到1200°C，隨后在氫氣氣氛下冷卻到室溫，得到梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金。對比例1
一種細硬質(zhì)合金刀片基體，其成分包括6wt. %的Co、0. 5wt. %的Ta、0. 2wt. %的Nb、 0. 2wt. %的Ti、0. 08wt. %的N和WC。該細硬質(zhì)合金刀片基體的制備原料為WC、TiCN+TiC、 TaNbC和Co粉，粒度分別為0. 8 μ m、1. O μ m、1. 2 μ m和1. 5 μ m ；按比例配制混合粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后按照現(xiàn)有普通的燒結(jié)工藝燒結(jié)成硬質(zhì)合金。對比例2:
一種細硬質(zhì)合金刀片基體，其成分包括:6wt. %的Co、0. 6wt. %的Ti、0. 08wt. %的N和 WC。該細硬質(zhì)合金刀片基體的制備原料為WC、TiCN+TiC和Co粉，粒度分別為0. 8 μ m、1. O μ m 和1.5μπι;按比例配制混合粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后按照現(xiàn)有普通的燒結(jié)工藝燒結(jié)成硬質(zhì)合金。對比例3:
一種細硬質(zhì)合金刀片基體，其成分包括6wt. %的Co、3wt. %的Ta、2wt. %的Nb、2wt. % 的Ti、0. Iwt. %的N和WC。該細硬質(zhì)合金刀片基體的制備原料為WC、TiCN+TiC、TaNbC和Co 粉，粒度分別為2. 5 μ m、2. O μ m、1. 5 μ m和1. 5 μ m ；按比例配制混合粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后按照現(xiàn)有燒結(jié)工藝燒結(jié)成硬質(zhì)合金。分別對上述實施例1 3和對比例1 3的硬質(zhì)合金刀片基體的力學性能進行測試，每組至少測量5數(shù)據(jù)，取其平均值，測試結(jié)果如下表1
表1 硬質(zhì)合金刀片基體力學性能測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，該超細硬質(zhì)合金是以Co、Ni、!^e中一種或幾種金屬元素作為粘結(jié)相，以WC和立方相化合物作為硬質(zhì)相，所述立方相化合物為過渡金屬Ti、Ta、 Nb的碳化物和/或碳氮化物，所述粘結(jié)相的含量為^t. % 12wt. %，所述立方相化合物的含量為0. 4wt. % 1. 2wt. %，其余主要為WC ；其特征在于所述超細硬質(zhì)合金設(shè)有表層梯度結(jié)構(gòu)，所述表層梯度結(jié)構(gòu)中富集有粘結(jié)相但幾乎不含所述的立方相化合物，所述表層梯度結(jié)構(gòu)中的Co平均含量為所述超細硬質(zhì)合金中標稱Co含量的1 2倍；所述硬質(zhì)相中WC的平均粒度為0. 6 μ m 1. 0 μ m，所述立方相化合物的平均粒度為WC的0. 5 1. 5倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，其特征在于所述硬質(zhì)相中WC的平均粒度為0. 8 μ m 1. 0 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，其特征在于所述立方相化合物的粒度為WC粒度的0. 8 1. 2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，其特征在于所述表層梯度結(jié)構(gòu)中的Co平均含量為所述超細硬質(zhì)合金中標稱Co含量的1 1. 5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，其特征在于所述表層梯度結(jié)構(gòu)的厚度為ΙΟμπι 50μπι。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，其特征在于所述立方相化合物的含量為0. 4wt. % 1. Owt. %，且其中Ti/ (Ti+Ta+Nb)的原子比介于0. 3 0. 8之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金，其特征在于所述超細硬質(zhì)合金中的N/Ti的原子比介于0. 1 0. 5之間。
8.一種梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金的制備工藝，所述制備工藝包括原料配制、球磨混合、壓制成型和燒結(jié)四個步驟，所述燒結(jié)步驟依次包括升溫燒結(jié)、保溫燒結(jié)和燒結(jié)冷卻三個階段，其特征在于所述升溫燒結(jié)是指將所述壓制成型后的粗坯置于真空環(huán)境下，燒結(jié)至1100°C 1300°C，在該首次控溫區(qū)間保溫5min 60min，然后繼續(xù)升溫至1340°C 1370°C，再通入 20mbar 80mbar惰性氣體，在惰性氣體保護下燒結(jié)至1410°C 1450°C ；所述保溫燒結(jié)是指在上述燒結(jié)至1410°C 1450°C溫度后，通入IOmbar IOOmbar的氮氣，保溫30min 90min ；所述燒結(jié)冷卻是指在上述保溫燒結(jié)階段結(jié)束后，在原有的氮氣氣氛下先冷卻至 1300°C 1100°C的冷卻溫區(qū)，最后在氫氣氣氛下冷卻至室溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金的制備工藝，其特征在于在所述升溫燒結(jié)階段，所述首次控溫區(qū)間控制在1150°C 1250°C，該首次控溫區(qū)間的保溫時間為 20min 40min。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金的制備工藝，其特征在于在所述燒結(jié)冷卻階段，所述冷卻溫區(qū)控制在1250°C 1200°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種梯度結(jié)構(gòu)的超細硬質(zhì)合金及其制備工藝，該超細硬質(zhì)合金是以Co、Ni、Fe中一種或幾種金屬元素作為粘結(jié)相，以WC和立方相化合物作為硬質(zhì)相，立方相化合物為過渡金屬Ti、Ta、Nb的碳化物和/或碳氮化物，粘結(jié)相的含量為4～12wt.%，立方相化合物的含量為0.4～1.2wt.%，其余主要為WC；超細硬質(zhì)合金設(shè)有表層梯度結(jié)構(gòu)，表層梯度結(jié)構(gòu)中富集有粘結(jié)相但幾乎不含立方相化合物，硬質(zhì)相中WC的平均粒度為0.6μm～1.0μm，立方相化合物的平均粒度為WC的0.5～1.5倍。本發(fā)明的制備工藝包括原料配制、球磨混合、壓制成型和燒結(jié)四個步驟，燒結(jié)步驟依次包括升溫燒結(jié)、保溫燒結(jié)和燒結(jié)冷卻三個階段。本發(fā)明制得硬質(zhì)合金具有耐磨性好、刃口強度高、抗塑性變形能力強等優(yōu)點。
文檔編號C22C1/05GK102191421SQ20111013835
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者周定良, 王社權(quán), 謝文, 黃前葆, 黃文亮 申請人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司