基于钨镍的增强型硬质合金及其制备方法

摘要

本发明涉及硬质合金材料技术领域，公开了基于钨镍的增强型硬质合金及其制备方法。所述基于钨镍的增强型硬质合金按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：0.1～0.3%Cr3C2、0.02～1%AlN、9%Ni粉和余量的WC粉。本发明为了提高WC‑9Ni钨镍合金的抗高温氧化性及热导率，通过在钨镍硬质合金混合料制备工艺中创造性地引入碳化铬及微量氮化铝，混合料湿磨结束后经过干燥、掺胶、成型、烧结工艺后，制得一种高抗氧化性的硬质合金。本发明制备工艺简单，所制备的合金性能优异，便于产业化生产和应用。

权利要求

1.基于钨镍的增强型硬质合金，其特征在于，以WC-9Ni为基础，加入用于增强高温抗氧化性的Cr3C2 和用于增强热传导率的AlN，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：Cr3C2          0.1～0.2%,AlN           0.02～1%,Ni粉          9%,

WC粉          余量。

2.根据权利要求1所述基于钨镍的增强型硬质合金，其特征在于，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：Cr3C2          0.2%,

AlN           0.05%,

Ni粉          9%,

WC粉          90.75%。

3.基于钨镍的增强型硬质合金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.按照权利要求1～2任意一项所述基于钨镍的增强型硬质合金的配比进行配料进行湿磨，湿磨结束后得到浆料；

S2.将浆料干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成型，再进行脱胶烧结，最终得到所需形状的基于钨镍的增强型硬质合金。

4.根据权利要求3所述基于钨镍的增强型硬质合金制备方法，其特征在于，步骤S1中所述WC粉费氏粒度为2μm。

5.根据权利要求4所述基于钨镍的增强型硬质合金制备方法，其特征在于，步骤S1中所述Ni粉费氏粒度为2μm。

6.根据权利要求4所述基于钨镍的增强型硬质合金制备方法，其特征在于，步骤S1中所述湿磨的湿磨介质为含水量为5wt%的工业酒精。

7.根据权利要求4所述基于钨镍的增强型硬质合金制备方法，其特征在于，步骤S1中所述湿磨的时间为20～40h。

8.根据权利要求4所述基于钨镍的增强型硬质合金制备方法，其特征在于，步骤S1中所述湿磨的球料比为3:1。

9.根据权利要求4所述基于钨镍的增强型硬质合金制备方法，其特征在于，步骤S2中烧结温度为1400～1600℃，烧结时间为1～3h。

说明书

基于钨镍的增强型硬质合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及硬质合金材料技术领域，更具体地，涉及基于WC-9Ni的基于钨镍的增强型硬质合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。

[0003] 随着现代工业的发展，许多器械工作在苛刻的环境条件下，例如酸碱腐蚀、材料磨损、高压密封等，在恶劣的使用条件下，探索工具材料的选择尤为重要。硬质合金具有高硬度、高的杨氏模量、耐热和耐腐蚀等优点，不仅是制造模具、刀具和矿山开采耐磨件的理想材料，而且可以作为滑动摩擦副零件、海底动压密封件、轴密封材料等。

[0004] 当硬质合金的应用范围正在不断扩大，除了对硬度和强度之外，对硬质合金的耐腐蚀性能和抗高温氧化性能有了较高的要求，一些硬质合金在一定的恶劣环境中会出现腐蚀和氧化，造成一些领域的应用受到一定的限制。

[0005] 在硬质合金的设计中，钨镍合金常被设计成耐腐蚀硬质合金，其腐蚀性包括化学腐蚀及高温氧化腐蚀，但是现有钨镍合金在高温下抗氧化腐蚀性能低，并且热导率低。本发明主要针对WC-9Ni钨镍合金，引入了碳化铬和氮化铝来提高其金抗高温氧化性及热导率，对于钨镍合金的耐高温氧化腐蚀，可以通过添加碳化铬来实现，另外研究发现，氮化铝是一种高耐温、热导率高的材料，所以在钨镍合金中添加氮化铝，对提高合金抗高温氧化性及热导率有益。

发明内容

[0006] 本发明解决的技术问题针对现有技术不足，为了进一步地提高钨镍合金的抗高温氧化性能和热导率，引入了碳化铬和氮化铝来提高WC-9Ni钨镍合金的抗高温氧化性及热导率，提供基于WC-9Ni的基于钨镍的增强型硬质合金。

[0007] 本发明还提供基于钨镍的增强型硬质合金制备方法。

[0008] 本发明的目的通过以下技术方案实现：

[0009] 提供基于钨镍的增强型硬质合金，以WC-9Ni为基础，加入Cr3C2和AlN，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：

[0010]

[0011] 本发明主要围绕WC-9Ni钨镍合金，为了提高WC-9Ni钨镍合金的抗高温氧化性能和热导率，引入了AlN和Cr3C2来提高钨镍合金的抗高温氧化性能和热导率，其机理在于利用碳化铬对镍的固溶强化，及在合金中添加AlN提高合金的抗高温氧化性和热导率。

[0012] 优选地，所述基于钨镍的增强型硬质合金，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：

[0013]

[0014] 本发明还提供基于钨镍的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

[0015] S1.按照所述基于钨镍的增强型硬质合金的配比进行配料进行湿磨，湿磨结束后得到浆料；

[0016] S2.将浆料干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成型，再进行脱胶烧结，最终得到所需形状的基于钨镍的增强型硬质合金。

[0017] 优选地，步骤S1中所述WC粉费氏粒度为2um，所述Ni粉费氏粒度为2um。

[0018] 优选地，步骤S1中所述湿磨的湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精。

[0019] 优选地，步骤S1中所述湿磨的时间为20～40h。

[0020] 优选地，步骤S1中所述湿磨的球料比为3:1。

[0021] 优选地，步骤S2中烧结温度为1400～1600，烧结时间为1～3h。

[0022] 与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

[0023] 本发明为了提高WC-9Ni钨镍合金的抗高温氧化性及热导率，通过在钨镍硬质合金混合料制备工艺中创造性地引入碳化铬及微量氮化铝，混合料湿磨结束后经过干燥、掺胶、成型、烧结工艺后，制得高抗氧化性的硬质合金。本发明制备工艺简单，所制备的合金性能优异，便于产业化生产和应用。

附图说明

[0024] 图1实施例1硬质合金高温氧化表面。

[0025] 图2实施例2硬质合金高温氧化表面。

[0026] 图3实施例3硬质合金高温氧化表面。

[0027] 图4对比例1硬质合金高温氧化表面。

具体实施方式

[0028] 本发明基于WC-9Ni合金进行开发，提供基于钨镍的增强型硬质合金，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：

[0029]

[0030] 本发明主要围绕WC-9Ni钨镍合金，为了提高WC-9Ni钨镍合金的抗高温氧化性能和热导率，引入了AlN和Cr3C2来提高钨镍合金的抗高温氧化性能和热导率，其机理在于利用碳化铬对镍的固溶强化，及在合金中添加AlN提高合金的抗高温氧化性和热导率。

[0031] 优选地，所述基于钨镍的增强型硬质合金按照如下重量百分比的组分进行混合料配比时，其高温抗氧化性和热导率性能最好，具体如下：

[0032]

[0033] 本发明还提供基于钨镍的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

[0034] S1.按照上述基于钨镍的增强型硬质合金的配比进行配料进行湿磨，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，时间为20～40h，湿磨结束后得到浆料，其中，WC粉费氏粒度为2um，Ni粉费氏粒度为2um；

[0035] S2.将浆料干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成型，再进行脱胶烧结，烧结温度为1400～1600℃，保温时间为1～3h，最终得到所需形状的基于钨镍的增强型硬质合金。

[0036] 通过该工艺所制备的合金经过850℃空气氧化30min后，观察其表面表面变化及测算失重损耗，加入碳化铬和氮化铝的合金氧化程度及失重均低于未添加的合金，经过热导率测试，加入碳化铬和氮化铝的合金热导率均高于未添加的合金。

[0037] 下面结合具体实施例进一步说明本发明。以下实施例仅为示意性实施例，并不构成对本发明的不当限定，本发明可以由发明内容限定和覆盖的多种不同方式实施。除非特别说明，本发明采用的试剂、化合物和设备为本技术领域常规试剂、化合物和设备。

[0038] 实施例1

[0039] 本实施例提供基于钨镍的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

[0040] S1.按重量百分比将0.3％的Cr3C2、0.02％的AlN、9％的Ni粉、90.68％的WC粉混合得到1Kg混合料，混合料中WC粉费氏粒度为2um，Ni粉费氏粒度为2um，将1Kg混合料加入容积为2L的球磨筒中，加入硬质合金研磨棒3Kg，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，湿磨时间为30h，湿磨后得到浆料；

[0041] S2.将料桨干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成试样条，进行脱胶烧结，最终烧结温度为1440℃，保温1h,制成基于钨镍的增强型硬质合金试样条，其规格为5.25mm*6.5mm*20mm。

[0042] 实施例2

[0043] 本实施例提供基于钨镍的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

[0044] S1.按重量百分比将0.2％的Cr3C2、0.05％的AlN、9％的Ni粉、90.68％的WC粉混合得到1Kg混合料，混合料中WC粉费氏粒度为2um，Ni粉费氏粒度为2um，将1Kg混合料加入容积为2L的球磨筒中，加入硬质合金研磨棒3Kg，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，湿磨时间为30h，湿磨后得到浆料；

[0045] S2.将料桨干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成试样条，进行脱胶烧结，最终烧结温度为1440℃，保温1h,制成基于钨镍的增强型硬质合金试样条，其规格为5.25mm*6.5mm*20mm。

[0046] 实施例3

[0047] 本实施例提供基于钨镍的增强型硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

[0048] S1.按重量百分比将0.1％的Cr3C2、0.1％的AlN、9％的Ni粉、90.68％的WC粉混合得到1Kg混合料，混合料中WC粉费氏粒度为2um，Ni粉费氏粒度为2um，将1Kg混合料加入容积为2L的球磨筒中，加入硬质合金研磨棒3Kg，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，湿磨时间为30h，湿磨后得到浆料；

[0049] S2.将料桨干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成试样条，进行脱胶烧结，最终烧结温度为1440℃，保温1h,制成基于钨镍的增强型硬质合金试样条，其规格为5.25mm*6.5mm*20mm。

[0050] 对比例1

[0051] 本对比例提供WC-9Ni钨镍硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

[0052] S1.按重量百分比将9％的Ni粉、90％的WC粉混合得到1Kg混合料，混合料中WC粉费氏粒度为2um，Ni粉费氏粒度为2um，将1Kg混合料加入容积为2L的球磨筒中，加入硬质合金研磨棒3Kg，湿磨介质为含水量为5wt％的工业酒精，湿磨时间为30h，湿磨后得到浆料；

[0053] S2.将料桨干燥，干燥完毕的料粉进行掺胶制粒，然后压制成试样条，进行脱胶烧结，最终烧结温度为1440℃，保温1h,制成WC-9Ni合金试样条，其规格为5.25mm*6.5mm*20mm。

[0054] 从图4可以明显看到，硬质合金高温氧化表面有很多斑点。

[0055] 对比例2

[0056] 本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，不添加AlN，余量用WC粉替代。

[0057] 对比例3

[0058] 本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，不添加Cr3C2，余量用WC粉替代。

[0059] 性能测试与表征

[0060] 将实施例1～3以及对比例1～3制备得到的合金试样条经过850℃高温氧化30min，高温氧化表面如图1～4所示，并进行性能测试，具体如表1所示。

[0061] 表1

[0062]

[0063] 通过表面观察及表1数据分析，从实施例1～3可以得出在WC-9Ni中加入碳化铬和氮化铝的合金氧化程度及失重均低于未添加的合金(对比例1)，经过热导率测试，加入碳化铬和氮化铝的合金热导率均高于未添加的合金(对比例1)。

[0064] 根据对比例2～3可以得出，当仅加入Cr3C2时，合金氧化程度较低，但是热导率没有有效提升，这是由于Cr3C2有效固溶强化了镍粘结相，在合金氧化过程中，及时的在合金表面形成了致密的抗氧化层，阻止合金进一步氧化。当仅加入AlN时，合金热导率明显升高，但是合金氧化程度没有有效降低，这是由于AlN是一种高热导率的化合物，当它加入到混合料中后，经过混合料均匀湿磨及烧结过程中AlN弥散分布在硬质相晶粒间，形成了良好的导热桥梁，提高了合金的热导率。

[0065] 综上所述，将Cr3C2和AlN同时加入到合金中，是提高合金抗氧化性能和热导率性能的有效途径。经过实施列1，2，3，分析，实施列2是本申请中Cr3C2和AlN添加量的最佳方案。