一种碳化钨钛铌锆固溶体粉末及其制备方法

摘要

本发明涉及一种固溶体粉末，特别涉及一种碳化钨钛铌锆固溶体粉末，属于硬质合金材料材料领域。本发明为降低硬质合金材料成本，提供一种碳化钨钛铌锆固溶体粉末，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.17-0.21Ti0.24-0.29Nb0.31-0.36Zr0.19-0.22）C；本发明还提供所述碳化钨钛铌锆固溶体粉末的制备方法。本发明获得的碳化钨钛铌锆固溶体粉末使用NbC和ZrC组合代替TaC能得到性能优良且成本低廉的固溶体粉末，用于硬质合金刀具中，可以很好地改善刀具的切削性能。

权利要求

1.一种碳化钨钛铌锆固溶体粉末，其特征在于，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.17-0.21Ti0.24-0.29Nb0.31-0.36Zr0.19-0.22）C。

2.如权利要求1所述的碳化钨钛铌锆固溶体粉末，其特征在于，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.20 Ti0.24Nb0.35Zr0.21）C。

3.如权利要求1所述的碳化钨钛铌锆固溶体粉末，其特征在于，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.20 Ti0.28Nb0.32Zr0.20）C。

4.如权利要求1所述的碳化钨钛铌锆固溶体粉末，其特征在于，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.17Ti0.26Nb0.36Zr0.21）C。

5.一种制备如权利要求1-4之一所述碳化钨钛铌锆固溶体粉末的方法，包括以下步骤：

1）按重量份分别称取30～35份WC，30～35份NbC，17～22份ZrC，15～20份TiO2以及7～9份炭黑粉末，混合得到原料混合物；

2）以酒精作为球磨介质，通过滚动球磨得原料混合物料浆；

3）将所述原料混合物料浆干燥，然后擦筛、圆筒制粒，得到混合料；

4）将所述混合料在1700～1900 ℃条件下反应2～4 h，得到碳化钨钛铌锆固溶体粉末。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2）中加入原料混合物质量2～5%的聚乙二醇。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3）中干燥的条件为—0.02～—0.08 MPa、70～80 ℃。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合料粒度为0.5～1 mm。

说明书

一种碳化钨钛铌锆固溶体粉末及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种固溶体粉末，特别涉及一种碳化钨钛铌锆固溶体粉末，属于硬质合金材料材料领域。

背景技术

[0002] 硬质合金切削刀具在切削钢材时由于被加工材质硬度的不断提高以及切削速度的提高，对合金的高温性能也提出了更高的要求。现有技术中，通常是加入（Ta，Nb）C 至硬质合金刀片中，其作用之一：作为硬质合金晶粒生长抑制剂，在添加（Ta，Nb）C 后可阻止硬质合金烧结过程中晶粒的长大；其作用之二，是与TiC 一起形成除WC 和Co 之外的第三弥散相，显著增加硬质合金的抗热冲击，抗热压及抗氧化的能力和提高硬质合金的热硬度。

[0003] 为了改善硬质合金的物理力学性能，常加入WC-TiC-TaC的复式固溶体，以改善硬质合金的切削性能。近年来随着TaC价格的猛涨，科研人员都在寻找新型的无Ta固溶体，以降低硬质合金材料的成本，使其能有更广泛的应用。

发明内容

[0004] 本发明解决的技术问题是，利用无Ta固溶体来实现降低硬质合金材料成本的目的。

[0005] 本发明的技术方案之一是，提供一种碳化钨钛铌锆固溶体粉末，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.17-0.21Ti0.24-0.29Nb0.31-0.36Zr0.19-0.22）C。

[0006] 进一步地，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.20 Ti0.24Nb0.35Zr0.21）C。

[0007] 进一步地，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.20 Ti0.28Nb0.32Zr0.20）C。

[0008] 进一步地，所述碳化钨钛铌锆固溶体的化学式为（W0.17Ti0.26Nb0.36Zr0.21）C。

[0009] 本发明的技术方案之二是，提供制备所述碳化钨钛铌锆固溶体粉末的方法，包括以下步骤：

[0010] 1）按重量份分别称取30～35份WC，30～35份NbC，17～22份ZrC，15～20份TiO2以及7～9份炭黑粉末，混合得到原料混合物；

[0011] 2）以酒精作为球磨介质，通过滚动球磨得原料混合物料浆；

[0012] 3）将所述原料混合物料浆干燥，然后擦筛、圆筒制粒，得到混合料；

[0013] 4）将所述混合料在1700～1900 ℃条件下反应2～4 h，得到碳化钨钛铌锆固溶体粉末。

[0014] 进一步地，步骤2）中加入原料混合物质量2～5%的聚乙二醇。

[0015] 进一步地，步骤3）中干燥的条件为—0.02～—0.08 MPa、70～80 ℃。

[0016] 进一步地，所述混合料粒度约为0.5～1 mm。

[0017] 本发明以TiO2作为Ti源，分别以WC作为W源， ZrC作为Zr源，NbC作为Nb源，再配以一定量的炭黑还原TiO2，在真空下进行固溶反应，从而制得固溶体粉末。

[0018] 本发明中使用的NbC代替TaC，同样可以改善合金的高温硬度（即红硬性）、高温强度和抗氧化性，一般情况下，TaC在合金中的质量分数为2%-10%，NbC较TaC脆，一般添加量在合金中的质量分数为2%-5%。ZrC作为一种难熔的金属碳化物，具有高熔点、高硬度、高热导和电导率、以及高的化学稳定性等优良特性。本发明还添加ZrC，NbC与ZrC相匹配可以提高材料的韧性，最后使得合金材料切削使用性能会变好。本发明产品不仅能保证合金性能达到加Ta一样的效果，更重要的是能显著降低成本（TaC约2500元/公斤，NbC、ZrC约800元/公斤）。

[0019] 本发明利用乙醇作为球磨介质，它能使各种比重相差大的粉末混合均匀(如WC粉与C粉)；加入PEG为表面活性剂，它能改变粉末表面的电荷状况，利于后面的干燥，干燥后的粉末不成团块状。

[0020] 本发明提供的所述固溶体粉末可提高硬质合金的高温性能。所得的固溶体粉末具有很好的固溶度，通过XRD分析为单相结构，同时产品的纯度高，氧含量低。

[0021] 本发明的有益效果是，使用NbC和ZrC组合代替TaC能得到性能优良且成本低廉的固溶体粉末，用于硬质合金刀具中，可以很好地改善刀具的切削性能。

附图说明

[0022] 图1 为实施例1中WTNZ1的XRD图谱。

[0023] 图2为实施例2中WTNZ2的XRD图谱。

[0024] 图3为实施例3中WTNZ3的XRD图谱。

具体实施方式

[0025] 下面结合实施例对本发明作进一步说明。

[0026] 实施例1

[0027] 采用粒度为1.0 μm 的 TiO2粉末，2 μm WC，ZrC和NbC以及炭黑粉末作为原料，其质量配比为TiO2:WC:ZrC:NbC:C=17:32:19:32:7.66。在混料过程中加入约为混合原材料重量3%的PEG-4000作为表面活性剂。将混合好的料浆在真空度为—0.04 MPa，温度为78 ℃的条件下干燥，待混合料降至室温后取出，经过过筛和圆筒制粒，制得粒度为0.8 mm粒子粉末，然后将粒子粉末在1900℃温度下，真空碳管炉中真空固溶2.5小时，得到最终组织为（W0.20 Ti0.24Nb0.35Zr0.21）C的WTNZ1固溶体粉末。

[0028] 粉末的性能指标：

[0029] 1）所制得的粉末为面心立方晶型产品，几种化合物达到了很好的固溶，图1显示了所制得的固溶体粉末WTNZ1的XRD图谱；

[0030] 2）所制得的粉末的平均粒度为1.5-2.0 μm；

[0031] 3） WTNZ1固溶体化学组成表1

[0032] 表1  WTNZ1化学成分

[0033]元素 W% Ti% Nb% Zr% CT% CF% O% N%
测试值 31.25 10.74 29.50 17.70 10.41 0.18 0.15 0.17

[0034] 由上表可以看出所制得粉末成分基本与设计值相符，氧含量很低≤0.20%，粉末具有较高的纯度（>99%）。

[0035] 实施例2

[0036] 采用粒度为1.0 μm 的 TiO2粉末，2 μm WC，ZrC和NbC炭黑粉末作为原料，其质量配比为TiO2:WC:ZrC:NbC=20:35:18:30:9的炭黑粉末。在混料过程中加入约为混合原材料重量2%的PEG-4000作为表面活性剂。将混合好的料浆在真空度为—0.04 Mpa，温度为70 ℃的条件下干燥，待混合料降至室温后取出，经过过筛和圆筒制粒，制得粒度为1.0 mm粒子粉末，然后将粒子粉末在1800 ℃温度下，真空容器中真空固溶4小时，得到最终组织为（W0.20 Ti0.28Nb0.32Zr0.20）C的WTNZ2固溶体粉末。

[0037] 粉末的性能指标：

[0038] 1）所制得的粉末为面心立方晶型产品，几种化合物达到了很好的固溶，图2显示了所制得的固溶体粉末WTNZ2的XRD图谱；

[0039] 2）所制得的粉末的平均粒度为1.5-2.0 μm；

[0040] 3） WTNZ2固溶体化学组成表2

[0041] 表2  WTNZ2化学成分

[0042]元素 W% Ti% Nb% Zr% CT% CF% O% N%
测试值 33.51 12.0 27.09 16.20 10.52 0.18 0.18 0.16

[0043] 由上表可以看出所制得粉末成分基本与设计值相符，氧含量很低≤0.20%，粉末具有较高的纯度（>99%）。

[0044] 实施例3

[0045] 采用粒度为1.0 μm 的 TiO2粉末，2μm WC，ZrC和NbC炭黑粉末作为原料，其质量配比为TiO2:WC:ZrC:NbC=18:30:19:33:8份的炭黑粉末。在混料过程中加入约为混合原材料重量5%的PEG-4000作为表面活性剂。将混合好的料浆在真空度为—0.05 MPa，温度为80 ℃的条件下干燥，待混合料降至室温后取出，经过过筛和圆筒制粒，制得粒度为0.5 mm粒子粉末，然后将粒子粉末在1850 ℃温度下，真空容器中真空固溶3小时，得到最终组织为（W0.17Ti0.26Nb0.36Zr0.21）C的WTNZ3固溶体粉末。

[0046] 粉末的性能指标：

[0047] 1）所制得的粉末为面心立方晶型产品，几种化合物达到了很好的固溶，图3显示了所制得的固溶体粉末WTNZ3的XRD图谱；

[0048] 2）所制得的粉末的平均粒度为1.5-2.0 μm；

[0049] 3） WTNZ3固溶体化学组成表3

[0050] 表3 WTNZ3化学成分

[0051]元素 W% Ti% Nb% Zr% CT% CF% O% N%
测试值 29.47 11.27 30.6 17.58 10.63 0.16 0.15 0.15

[0052] 由上表可以看出所制得粉末成分基本与设计值相符，氧含量很低≤0.20%，粉末具有较高的纯度（>99%）。

[0053] 实施例4

[0054] 将本发明制得的固溶体WTNZ1替代传统含Ta固溶体 TRC-50 做火车车轮加工刀具，具体试验情况如下：

[0055] 1）固溶体成分对比

[0056] WTNZ1（：W0.33Nb0.33Zr0.20Ti0.13）C      单价 ：980元/公斤[0057] TRC-50（：W0.30Ti0.2Ta0.5）C           单价 ：2000元/公斤[0058] 2）相同加入量硬质合金产品性能对比

[0059] 将两种硬质合金材料在相同的工艺条件下制备得到两种硬质合金刀具材料，化学成分分别为：

[0060] ①WC-13%WTNZ1-6%Co          ②WC-13%TRC-50-6%Co

[0061] 其物理力学性能如下表4

[0062] 表4  加入不同固溶体刀具材料性能

[0063]编号 固溶体 抗弯強度 硬度HRa 密度 金相组织
① WTNZ1 2160MPa 92 12.92 A00B00C00
② TRC-50 1892MPa 92 14.03 A00B02C00

[0064] 3）将两种刀具材料分别制作成为加工火车车轮的刀具RCMX320900和RCMX250700，然后再经过相同的涂层工艺处理后到工厂去现场切削验证，其结果如下表5。

[0065] 表5  刀具切削试验结果

[0066]编号 固溶体 RCMX250700寿命 RCMX320900寿命
① WTNZ1 8件/刃 12件/刃
② TRC-50 7件/刃 12件/刃

[0067] 从上表中可以看出，刀具的切削性能相当，用无Ta固溶体WTNZ1完全可以替代含Ta固溶体TRC-50应用到火车车轮的刀具的基体材料中，在价格上明显降低，刀具的性价比更高。