一種具有wc晶粒特征晶面取向分布的硬質(zhì)合金制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有特征晶面取向分布的WC-C0硬質(zhì)合金的制備方法，通過在特 定階段施加合適的燒結(jié)壓力制備獲得具有力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性、在特定方向上具有超高 硬度和耐磨性的硬質(zhì)合金塊體材料，屬于硬質(zhì)合金制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] WC-Co硬質(zhì)合金具有優(yōu)良的硬度、韌性和強(qiáng)度綜合力學(xué)性能，在切削工具和耐磨零 部件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對硬質(zhì)合金產(chǎn)品的力學(xué)性能和使 用要求也在不斷提高。合金的微觀組織結(jié)構(gòu)決定其宏觀力學(xué)性能。在WC-Co硬質(zhì)合金中， WC相的晶粒尺寸及其分布以及晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)是影響材料力學(xué)性能的重要因素。WC晶 粒具有密排六方結(jié)構(gòu)（晶系為P-6m2,晶格參數(shù)a = 0. 2906nm，c = 0. 2837nm)，在三維空間 呈三棱柱狀，基面為平行于（0001)面的晶面，柱面為平行于（1-100)面的晶面，在此基本形 狀基礎(chǔ)上部分棱角被一些新的晶面取代。對WC單晶體而言，晶體結(jié)構(gòu)和性能具有明顯的各 向異性，如，（0001)晶面的硬度高于其他晶面，研宄表明，（0001)面和（1-100)面的維氏硬 度分別為2500kg/mm 2和1450kg/mm2。因此，當(dāng)制備的WC-Co硬質(zhì)合金在特定條件下WC晶粒 的（0001)晶面所占比例占有絕對優(yōu)勢時(shí)，硬質(zhì)合金在相應(yīng)方向上將具有接近于單個(gè)WC晶 ?；嬗捕鹊牧W(xué)性能，這將大幅超越傳統(tǒng)制備方法得到的力學(xué)性能各向同性的硬質(zhì)合金 塊體材料的硬度值。如果沿此方向作為實(shí)際應(yīng)用條件下的受力面或摩擦面，硬質(zhì)合金產(chǎn)品 將具有更高的耐磨性能和更長的使用壽命。迄今為止，針對具有明顯WC晶粒特征晶面取向 分布的硬質(zhì)合金塊體材料的制備技術(shù)難題尚未突破，有關(guān)特征晶面取向分布硬質(zhì)合金塊體 的制備方法和工業(yè)產(chǎn)品鮮有報(bào)道。
[0003] 現(xiàn)階段實(shí)際應(yīng)用的硬質(zhì)合金產(chǎn)品均為傳統(tǒng)制備方法獲得的具有組織結(jié)構(gòu)和力學(xué) 性能各向同性的塊體材料，難以滿足對硬質(zhì)合金塊體材料硬度、耐磨性有特殊要求的工業(yè) 應(yīng)用。針對國內(nèi)外特征晶面取向分布硬質(zhì)合金材料的研宄現(xiàn)狀，我們開發(fā)出一種反應(yīng)、燒結(jié) 同時(shí)進(jìn)行的原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)，制備具有WC晶粒特征晶面取向分布的WC-Co硬質(zhì)合金塊體 材料，該方法國內(nèi)外均未見相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種通過原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)獲得具有組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性 能各向異性的WC-C 0硬質(zhì)合金塊體材料的方法。制備出的WC-Co硬質(zhì)合金在某些特定方 向WC晶粒的（0001)晶面比例占有絕對優(yōu)勢，硬質(zhì)合金材料在相應(yīng)方向具有顯著高于平均 硬度的力學(xué)性能。首先，以鎢氧化物（wo 3, W02.9, WO2.72)、鈷氧化物和炭黑的混合物為原料， 進(jìn)行混合球磨；其次，將球磨后的混合粉末冷壓成坯，置于真空反應(yīng)爐中進(jìn)行原位還原碳化 反應(yīng)，在較低的溫度下制備出物相含有一定比例缺碳相（η相）成分的wc-Co-n復(fù)合粉 末；最后，將制備的復(fù)合粉末置于可以施加壓力的燒結(jié)系統(tǒng)中對粉末進(jìn)行原位反應(yīng)燒結(jié)致 密化，制備出具有WC晶粒特征晶面取向分布的硬質(zhì)合金塊體材料。
[0005] 本發(fā)明提供的具有特征晶面取向分布的硬質(zhì)合金塊體材料的制備方法，其特征包 括以下幾個(gè)步驟：
[0006] (1)以鎢氧化物、鈷氧化物與炭黑的混合物為原料，按照最終制備出純凈WC相和 Co相硬質(zhì)合金塊體材料的要求，將上述原料按比例混合并進(jìn)行球磨，均勻細(xì)化后的混合粉 體置入真空干燥箱中烘干處理；其中鎢氧化物為W0 3、WO2.9或WO 2.72;
[0007] (2)將步驟（1)干燥處理后的混合粉末冷壓成坯，置于真空反應(yīng)爐中進(jìn)行原位 還原碳化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為650-850 °C，保溫時(shí)間為30-60min，合成具有缺碳相成分的 WC-Co- η復(fù)合粉末；
[0008] (3)將步驟（2)得到的WC-Co- Tl復(fù)合粉末置于可以施加壓力的燒結(jié)系統(tǒng)中進(jìn)行反 應(yīng)燒結(jié)致密化，工藝參數(shù)為：首先施加30-60MPa的壓力，以10-50°C /min的升溫速率升溫 至600-800°C，保溫IOmin ;然后增加壓力到60-100MPa，以10-50°C /min的升溫速率升溫至 1100-1300°C，并保溫10_30min，然后以10-20°C /min的降溫速率降溫至300°C并卸載全部 燒結(jié)壓力，之后隨爐冷卻至室溫。
[0009] 與現(xiàn)有的相關(guān)方法相比較，本發(fā)明的科學(xué)機(jī)理和技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在：
[0010] (1)采用低溫原位反應(yīng)法通過控制反應(yīng)溫度制備缺碳相含量可控的WC-Co-n復(fù) 合粉末，具有原創(chuàng)性，此方法有效避免了通過將缺碳相和炭黑加入到純凈WC-C0復(fù)合粉或 wc、Co混合粉末中再通過球磨處理獲得wc、c〇、n多相混合粉末會(huì)導(dǎo)致缺碳相和炭黑分布 不均勻、最終造成燒結(jié)制備的硬質(zhì)合金塊體內(nèi)存在游離碳和缺碳相的突出問題，游離碳和 缺碳相的存在會(huì)惡化硬質(zhì)合金塊體材料的力學(xué)性能。采取對均勻細(xì)化后的粉末進(jìn)行低溫 原位反應(yīng)來合成復(fù)合粉末，成分分布均勻，在低溫反應(yīng)階段部分粉末生成了 WC和Co相，未 完全碳化的缺碳相均勻分布于基體中，通過后續(xù)反應(yīng)燒結(jié)可以實(shí)現(xiàn)完全碳化，得到物相純 凈的WC-Co硬質(zhì)合金。此外，缺碳相比例的控制通過反應(yīng)溫度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，精確且可重復(fù)性 強(qiáng)。同時(shí)，生成含一定比例缺碳相的復(fù)合粉末所使用的原位反應(yīng)溫度較制備只含有WC、Co 兩相的復(fù)合粉末的溫度大幅度降低，這是單純利用原位反應(yīng)合成物相純凈的WC-C0復(fù)合粉 的技術(shù)所不能達(dá)到的效果。
[0011] (2)在燒結(jié)的過程中，首先對粉末施加一定的壓力，這樣可以有效排除粉末中吸附 的氣體，同時(shí)隨著溫度的升高，粉末顆粒在溫度和壓力的作用下發(fā)生顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)和重排，此時(shí) WC晶?；媾c燒結(jié)壓力方向非平行關(guān)系的WC晶粒將傾向于向基面垂直于燒結(jié)壓力的方向 轉(zhuǎn)動(dòng)，以改善晶粒和顆粒間的應(yīng)力狀態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)能量最小化、粉末壓坯致密度進(jìn)一步最 大化。在顆粒和晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，粉末中的游離碳和缺碳相更充分的包覆在已經(jīng)生成 的WC晶粒周圍，為后續(xù)的高溫反應(yīng)燒結(jié)致密化提供了有利條件。當(dāng)溫度升高到600-800°C 時(shí)保溫lOmin，一方面合適時(shí)間的保溫可以保證粉末顆粒和內(nèi)部晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)重排趨于完全； 另一方面，可以最大限度的消除粉末中吸附的氣體雜質(zhì)，有效避免后期燒結(jié)形成無法排除 的密閉空隙和雜質(zhì)對合金塊體致密度和力學(xué)性能的影響。
[0012] (3)對粉末的燒結(jié)致密化溫度為1100-1300°C，此溫度介于WC-Co復(fù)合粉末的固相 燒結(jié)和液相燒結(jié)溫度之間，一方面，在此溫度下，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合粉末內(nèi)有關(guān)物相之間的二次 反應(yīng)，即缺碳相和游離碳發(fā)生碳化反應(yīng)，生產(chǎn)WC和Co ;另一方面，此溫度低于共晶溫度，可 以有效保證粉末中原有的WC晶粒不會(huì)發(fā)生溶解，從而避免了在垂直于燒結(jié)壓力方向上的 WC晶?；姹黄茐亩鴮?dǎo)致垂直于燒結(jié)壓力方向上WC晶?；娣植急壤档?。由于粉末中 原來就存在WC晶粒，而缺碳相和游離碳均勻彌散的分布在WC晶粒周圍，在高溫下二次反 應(yīng)生成WC的過程即為在原來存在的WC晶粒上繼續(xù)生長的過程，而WC晶粒繼續(xù)生長是沿 垂直于基面方向優(yōu)先長大，即沿（1-210)和（0-110)棱面生長。對粉末的燒結(jié)壓力提高到 60-100MPa，由此壓力WC晶?；孢M(jìn)一步趨向于垂直于燒結(jié)壓力方向，這就促使通過高溫 反應(yīng)燒結(jié)制