專利名稱：一種微納米WC-Co硬質(zhì)合金、其制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金及其制備方法，特別涉及到一種微納米WC-C0硬質(zhì)合金、其制備方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料，主要以碳化物(WC、TiC)為主要成分，以鈷(Co)或鎳(Ni)、鑰(Mo)為粘結(jié)劑，其中WC-Co系列使用最為廣泛。硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500°C的溫度下也基本保持不變，在1000°C時(shí)仍有很高的硬度，廣泛用作工業(yè)切削刀具、礦山鉆頭、耐磨件、精密零件等。硬質(zhì)合金的力學(xué)性能與其晶粒尺寸具有很大關(guān)系，普遍認(rèn)為，晶粒越小，其力學(xué)強(qiáng)度越高，因此目前超細(xì)晶及納米晶硬質(zhì)合金是目前發(fā)展的主流方向。但是超細(xì)晶及納米晶硬質(zhì)合金也普遍存在韌性不足的難題，因此超細(xì)晶硬質(zhì)合金的增韌技術(shù)是亟待解決的問題。粗晶硬質(zhì)合金具有良好的韌性、耐磨性和紅硬性，但強(qiáng)度偏低，主要用于軟地質(zhì)層復(fù)雜礦山及地下開掘?；诖?，如何兼顧粗晶硬質(zhì)合金的韌性優(yōu)勢(shì)和超細(xì)晶硬質(zhì)合金的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，將有助于拓展硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)通用性硬質(zhì)合金產(chǎn)品。微納米顆粒協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制基于不同尺度顆粒的密實(shí)堆垛和互補(bǔ)性組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)基體性能的提升，類似于不同砂粒混合加工混凝土，形成良好協(xié)同作用。隨著納米技術(shù)的興起，硬質(zhì)合金的發(fā)展也經(jīng)歷了各種納米改性技術(shù)的引入，尤其以第二相硬質(zhì)納米顆粒如 TiN、Al203、Zr02、AlN等,改善傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能,但第二相往往帶來界面控制更加復(fù)雜，品質(zhì)更加難以控制的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種微納米WC-Co硬質(zhì)合金及其制備方法，其通過采用不同的微米級(jí)WC和納米級(jí)WC的混合粉作為原料，充分發(fā)揮不同尺度硬質(zhì)相顆粒的協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制，同時(shí)兼顧粗晶硬質(zhì)合金的韌性和超細(xì)/納米晶硬質(zhì)合金的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其整體力學(xué)性能的提升。具體而言，本發(fā)明是采用了如下技術(shù)方案從而實(shí)現(xiàn)了上述發(fā)明目的
一種微納米WC-Co硬質(zhì)合金,它包含如下組分
作為基體的微納米WC顆粒硬質(zhì)相，
作為粘結(jié)相的金屬Co，
作為晶粒長(zhǎng)大抑制劑的VC，
所述微納米WC顆粒硬質(zhì)相包含根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而按設(shè)定比例混合的微米級(jí)WC和納米級(jí)WC顆粒。進(jìn)一步的講,所述微納米WC-Co硬質(zhì)合金具體包含如下組分
微納米WC復(fù)合粉80-95wt%金屬Co粉3-20wt%
VC 粉0.01-5wt%
碳粉<lwt%
其中，所述微納米WC復(fù)合粉由根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而按設(shè)定比例混合的微米級(jí)WC和納米級(jí)WC顆粒組成，
并且，所述微米級(jí)WC粉的平均粒徑為1-200微米，納米級(jí)WC粉的平均粒徑為10-500納米。前述微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法為按上述微納米WC-Co硬質(zhì)合金的組成配制原料，并依次經(jīng)球磨、干燥、造粒、壓制成型、脫脂和真空燒結(jié)工序制得目標(biāo)產(chǎn)品。優(yōu)選的，在球磨工序中，微米級(jí)WC和/或納米級(jí)WC顆粒是被一次性加入或分批加 入的，且球磨操作的條件為球磨轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/分鐘以上，球磨時(shí)間12小時(shí)以上。作為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，在球磨工序中，是以酒精為球磨介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)槟デ?，球料比I :5-10，球磨轉(zhuǎn)速100-250轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間12-96小時(shí)。優(yōu)選的，在造粒工序中，還向所述原料中加入了用量為原料重量1-10%的成型劑，所述成型劑包括聚乙烯醇、橡膠和石蠟中的任意一種或兩種以上的組合。優(yōu)選的，在壓制成型工序中，壓制壓力為200-400 MPa。優(yōu)選的，在脫脂工序中，脫脂溫度為300_450°C，升溫速率0. 5-2°C /分鐘，保溫10分鐘以上。優(yōu)選的，燒結(jié)工序采用真空燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度為1300-1500°C。一種硬質(zhì)合金制品，它包含上述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金或按上述方法所制得的微納米WC-Co硬質(zhì)合金。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點(diǎn)
微納米WC顆?；旌戏勰┳鳛橛操|(zhì)合金的硬質(zhì)相添加，將能夠發(fā)揮微米顆粒和納米顆粒協(xié)同增強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬質(zhì)合金強(qiáng)度和韌性的兼顧，獲得良好的強(qiáng)韌化效果；并且可以在很寬的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)材料內(nèi)部微納米晶粒尺寸組合，從而勝任不同應(yīng)用領(lǐng)域的力學(xué)要求。


圖I是本發(fā)明中微納米WC-Co硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實(shí)施例I樣品斷口掃描電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式如前所述，針對(duì)現(xiàn)有硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝的不足以及由其產(chǎn)生的硬質(zhì)合金性能受限等問題，本案發(fā)明人經(jīng)長(zhǎng)期研究和實(shí)踐，提出了本發(fā)明的技術(shù)方案，其主要特點(diǎn)是，微米級(jí)WC顆粒和納米級(jí)WC顆?；旌戏勰┳鳛橛操|(zhì)合金的硬質(zhì)相添加，將能夠發(fā)揮微米顆粒和納米顆粒協(xié)同增強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬質(zhì)合金強(qiáng)度和韌性的兼顧，獲得良好的強(qiáng)韌化效果；并且可以在很寬的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)材料內(nèi)部微納米晶粒尺寸組合，從而勝任不同應(yīng)用領(lǐng)域的力學(xué)要求；其制備工藝可采用傳統(tǒng)粉末冶金工藝，不改變?cè)泄に嚶肪€，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)硬質(zhì)合金產(chǎn)品性能的提升，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景，對(duì)推動(dòng)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。并且，迄今為止尚無關(guān)于對(duì)硬質(zhì)合金自身硬質(zhì)相顆粒尺度組合進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的調(diào)控的報(bào)道。本發(fā)明的微納米WC-Co硬質(zhì)合金是以微納米WC顆粒硬質(zhì)相構(gòu)建基體，并還包含金屬Co和VC，前述微納米WC顆粒硬質(zhì)相包含根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而按設(shè)定比例混合的微米級(jí)WC和納米級(jí)WC顆粒。其中，金屬Co是作為粘結(jié)相應(yīng)用，而VC是作為晶粒長(zhǎng)大抑制劑應(yīng)用，其可避免在燒結(jié)過程中由于粗晶顆粒和納米晶顆粒燒結(jié)過程中的異常長(zhǎng)大，過度消耗納米晶顆粒，進(jìn)而還可有效避免不同尺度顆粒的偏聚現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)微米顆粒和納米顆粒的均勻分布。進(jìn)一步的講,所述微納米WC-Co硬質(zhì)合金具體包含如下組分
微納米WC復(fù)合粉80-95wt%
金屬Co粉3-20wt%·
VC 粉0.01-5wt%
碳粉<lwt%
其中，所述微納米WC復(fù)合粉由根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而按設(shè)定比例混合的微米級(jí)WC和納米級(jí)WC顆粒組成，
并且，所述微米級(jí)WC粉的平均粒徑為1-200微米，納米級(jí)WC粉的平均粒徑為10-500納米。進(jìn)一步的講，本發(fā)明的微納米WC-Co硬質(zhì)合金是藉由如下方法制備的，S卩按照上述微納米WC-Co硬質(zhì)合金的組成配制原料后，再依次經(jīng)球磨、干燥、造粒、壓制成型、脫脂和真空燒結(jié)工序制得目標(biāo)產(chǎn)品。作為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，在球磨工序中，以酒精為球磨介質(zhì)，硬質(zhì)合金球?yàn)槟デ颍蛄媳菼 :5-10，球磨轉(zhuǎn)速100-250轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間12-96小時(shí)；也可以分階段性添加微米WC粉和納米WC粉，以保證混料球磨均勻。作為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，在造粒工序中，還向混合反應(yīng)物中加入了用量為所述原料重量1-10%的成型劑，所述成型劑包括聚乙烯醇、橡膠和石蠟中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。作為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，在壓制成型工序中，壓制壓力為200-400 MPa。作為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，在脫脂工序中，脫脂溫度為300-450°C，升溫速率0. 5-20C /分鐘，保溫10分鐘以上。作為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，燒結(jié)工序采用真空燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度為1300-1500°C。以下結(jié)合若干優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例I該微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法為
按如下配比配制原料
微納米WC復(fù)合粉89%
金屬Co粉10%
VC 粉1%
碳粉〈1%
并將原料在酒精中均勻混合，其中微納米WC復(fù)合粉末是由粒徑分別是5微米和100納米的WC粉末按照I :1比例混合制得；其后，以硬質(zhì)合金球?yàn)槟デ?，球料比I :5，球磨轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間48小時(shí)；
隨后經(jīng)真空干燥、混入相對(duì)于硬質(zhì)合金原料重量百分比3wt%的聚乙烯醇粘結(jié)劑造粒、350 MPa模壓成型、0. 5度/分鐘升溫至350度脫脂3小時(shí)、1350度真空燒結(jié)致密化，獲得微納米WC-Co硬質(zhì)合金。
實(shí)施例2 :本實(shí)施例與實(shí)施例I的不同點(diǎn)在于，其中微納米WC復(fù)合粉末中5微米和100納米的WC粉末混合比例是I :2，其力學(xué)性能見表I。實(shí)施例3 :本實(shí)施例與實(shí)施例I的不同點(diǎn)在于，其中微納米WC復(fù)合粉末中5微米和100納米的WC粉末混合比例是I :3，其力學(xué)性能見表I。實(shí)施例4 :本實(shí)施例與實(shí)施例I的不同點(diǎn)在于，其中微納米WC復(fù)合粉末中5微米 和100納米的WC粉末混合比例是I :4，其力學(xué)性能見表I。實(shí)施例5 :本實(shí)施例與實(shí)施例I的不同點(diǎn)在于，其中微納米WC復(fù)合粉末中5微米和100納米的WC粉末混合比例是I :5，其力學(xué)性能見表I。實(shí)施例6 :本實(shí)施例與實(shí)施例I的不同點(diǎn)在于，其中微納米WC復(fù)合粉末中5微米和100納米的WC粉末混合比例是2 :1，其力學(xué)性能見表I。實(shí)施例7 :本實(shí)施例與實(shí)施例I的不同點(diǎn)在于，其中微納米WC復(fù)合粉末中5微米和100納米的WC粉末混合比例是3 :1，其力學(xué)性能見表I。實(shí)施例8 :本實(shí)施例與實(shí)施例I的不同點(diǎn)在于，其中微納米WC復(fù)合粉末中10微米和50納米的WC粉末混合比例是I :1，其力學(xué)性能見表I。
權(quán)利要求
1.一種微納米WC-Co硬質(zhì)合金，其特征在于，它包含如下組分 作為基體的微納米WC顆粒硬質(zhì)相， 作為粘結(jié)相的金屬Co， 作為晶粒長(zhǎng)大抑制劑的VC， 所述微納米WC顆粒硬質(zhì)相包含根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而按設(shè)定比例混合的微米級(jí)WC和納米級(jí)WC顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金，其特征在于，它具體包含如下組分 微納米WC復(fù)合粉80-95wt% 金屬Co粉3-20wt% VC 粉0.01-5wt% 碳粉<lwt% 其中，所述微納米WC復(fù)合粉由根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而按設(shè)定比例混合的微米級(jí)WC和納米級(jí)WC顆粒組成， 并且，所述微米級(jí)WC粉的平均粒徑為1-200微米，納米級(jí)WC粉的平均粒徑為10-500納米。
3.—種微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，該方法為按權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述微納米WC-Co硬質(zhì)合金的組成配制原料，并依次經(jīng)球磨、干燥、造粒、壓制成型、脫脂和真空燒結(jié)工序制得目標(biāo)產(chǎn)品。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，在球磨工序中，微米級(jí)WC和/或納米級(jí)WC顆粒是被一次性加入或分批加入的，且球磨操作的條件為球磨轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/分鐘以上，球磨時(shí)間12小時(shí)以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，球磨工序中，是以酒精為球磨介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)槟デ?，球料比I :5-10，球磨轉(zhuǎn)速100-250轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間12-96小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，在造粒工序中，還向所述原料中加入了用量為原料重量1-10%的成型劑，所述成型劑包括聚乙烯醇、橡膠和石蠟中的任意一種或兩種以上的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，在壓制成型工序中，壓制壓力為200-400 MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，在脫脂工序中，脫脂溫度為300-450°C，升溫速率0. 5-2 0C /分鐘，保溫10分鐘以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，燒結(jié)工序采用真空燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度為1300-1500°C。
10.一種硬質(zhì)合金制品，其特征在于，它包含權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述的微納米WC-Co硬質(zhì)合金或按權(quán)利要求3-9中任一項(xiàng)方法所制得的微納米WC-Co硬質(zhì)合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微納米WC-Co硬質(zhì)合金、其制備方法及應(yīng)用。該硬質(zhì)合金以微米級(jí)和納米級(jí)WC顆粒作為硬質(zhì)相原料，重量百分比為80-95%，其中微米WC和納米WC可以是任意比例，0.01-5%重量百分比的VC作為晶粒長(zhǎng)大抑制劑，3-20%重量百分比的Co作為粘結(jié)相；其制備方法包括依次進(jìn)行的球磨、干燥、造粒、壓制成型、真空燒結(jié)等工序。本發(fā)明采用傳統(tǒng)粉末冶金工藝，利用不同尺度微納米顆粒協(xié)同增強(qiáng)作用，同時(shí)兼有微米粗晶硬質(zhì)合金和超細(xì)晶及納米晶硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)度和韌性同時(shí)兼顧，體現(xiàn)出更好的強(qiáng)度、硬度、抗沖擊性和耐磨性等綜合性能。并且可以通過不同應(yīng)用領(lǐng)域需求設(shè)計(jì)其中微納米顆粒組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)性能的調(diào)控，對(duì)傳統(tǒng)硬質(zhì)合金產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)良好的改性提升。
文檔編號(hào)C22C29/08GK102758112SQ20121028457
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者王永富, 陳名海 申請(qǐng)人:王永富