一种表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金及其制备方法转让专利
申请号 : CN201910789383.8
文献号 : CN110512132B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 陈健 , 周莉 , 熊峰 , 黄怿平 , 黄泽聪 , 林俊峰 , 琚广龙
申请人 : 广东欧德罗厨具股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金,其特征在于,由以下质量百分比的各组分组成的复合粉体烧结而成:20~50%的TiC,0.8~1.2%的VC,0.8~1.2%的Cr3C2,16~20%的Co,0.5~1%的Mo,0.5~1%的B,0.5~1%的Y2O3,余量为WC;且所述复合粉体中C的质量百分比为7.7~12.2%;所述梯度硬质合金的表层由WC相和Co相构成且无立方相,所述WC相中的WC为长棒状晶粒。
2.根据权利要求1所述的表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金,其特征在于,由以下质量百分比的各组分组成的复合粉体烧结而成:25~35%的TiC,0.8~1.2%的VC,0.8~1.2%的Cr3C2,16~20%的Co,0.5~1%的Mo,0.5~1%的B,0.5~1%的Y2O3,余量为WC;且所述复合粉体中C的质量百分比为8.4~10.2%。
3.根据权利要求2所述的表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金,其特征在于,所述复合粉体中C的质量百分比为9.7~10.2%。
4.一种表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、制备坯料:分别称取以下质量百分比的各组分组成复合粉体:20~50%的TiC,0.8~1.2%的VC,0.8~1.2%的Cr3C2,16~20%的Co,0.5~1%的Mo,0.5~1%的B,0.5~1%的Y2O3,余量为WC;且所述复合粉体中C的质量百分比为7.7~12.2%;并按复合粉体总质量的
1.5~2.5%称取石蜡,并将石蜡与复合粉体混合均匀,得到坯料;
S2、压制坯体:将坯料压制成型,得坯体;
S3、烧结:将坯体置于烧结炉中,以3℃/min的速度升温至200℃,保温40min;以2~3℃/min的速度升温至380~420℃,保温90min;以10℃/min的速度升温至900℃,保温40min;以
10℃/min的速度升温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1430~1450℃,保温‑2 ‑4
95~105min,并保持1.01×10 ~1.01×10 Pa的真空度;接着以8~12℃/min的速度降温至1000~1200℃;再接着使坯体随炉冷却,制得表层无TiC相且无立方相的梯度硬质合金;
所述梯度硬质合金的表层由WC相和Co相构成,所述WC相中的WC为长棒状晶粒。
5.根据权利要求4所述的表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金的制备方法,其特征在于,所述复合粉体由以下质量百分比的各组分组成:25~35%的TiC,0.8~
1.2%的VC,0.8~1.2%的Cr3C2,16~20%的Co,0.5~1%的Mo,0.5~1%的B,0.5~1%的Y2O3,余量为WC;且所述复合粉体中C的质量百分比为8.4~10.2%。
6.根据权利要求4所述的表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金的制备方法,其特征在于,步骤S1中,将复合粉体和石蜡置于球磨机中,并注入有机溶剂使复合粉体和石蜡浸没在有机溶剂中,以250r/min的转速球磨12h得浆料,使浆料干燥后得到坯料。
7.根据权利要求4所述的表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金的制备方法,其特征在于,步骤S2中,先用压模机将坯料压制成型,得初坯体;再用冷等静压机进一步压制初坯体,得坯体。
8.根据权利要求7所述的表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金的制备方法,其特征在于,步骤S2中,用冷等静压机进一步压制初坯体时,压强为200Mpa,时间为
5min。
说明书 :
一种表层WC为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金及其制
备方法
技术领域
背景技术
相的高耐磨性、高硬度和金属粘结相的高强度、高韧性,故因其性能在金属切削加工领域得
到广泛应用。但是,现今切削加工技术逐渐向干切削、硬切削、高速化和超精密等方向发展,
因此对硬质合金刀具强度、韧性以及耐磨性的要求越来越高。传统硬质合金由于其成分、组
织均质性较高等特点,导致各关键性能(如耐磨性与强度、硬度与韧性)无法同时提升,使其
在先进制造业中的应用推广受到限制。则梯度结构硬质合金却具备突破传统均质硬质合金
性能局限性的巨大优势,在高性能机械加工工具领域展示出其巨大的潜在应用价值。
∶1‑15∶1,球磨机转速为250‑300rpm,时间为2‑8h;2)以经过扁平化处理的W粉、石墨粉、Co粉
为原料,TiC粉和VC粉为添加剂,配制混合料;配制的混合料中,以质量百分数计,W粉占
66.18‑87.11%,石墨粉占4.32‑5.69%,Co粉占6‑25%,TiC粉和VC粉的加入量分别为Co粉
质量分数的12‑18%和5‑7%;3)将混合料混合均匀,添加成型剂,压制成型,再脱除成型剂,
最后置于真空/气氛烧结炉中烧结,即获得所述具有梯度结构的板状WC晶粒硬质合金;所述
的烧结是指:首先升温至1380‑1410℃,真空度高于1.0Pa,保温时间为20‑30min;然后通入
CH 4与Ar的混合气体,压力为0.02‑0.08MPa,继续保温20‑40min。该专利提供了一种具有梯
度结构的板状WC晶粒硬质合金的制备方法,即首先对W粉进行扁平化处理,然后以经过扁平
化处理的W粉、石墨粉、Co粉为原料,TiC、VC为添加剂配制成混合料,经混料、添加成型剂、压
制成型、脱除成型剂工序,最后在真空/气氛烧结炉中进行高温烧结,得到具有梯度结构的
板状WC晶粒硬质合金;该方法制备的硬质合金表面贫Co、富含硬质相,一定厚度的表面层内
Co呈梯度分布,同时,其显微组织中WC硬质相呈板状,使得材料能够保持较高的强韧性且表
面具有较高的硬度,该制备方法对生产设备无特殊要求,且具有生产率高,生产成本低等特
点,宜于大规模推广应用。
份数,所述WC‑TiC‑Co硬质合金由以下元素组成:N为0.14~0.54,H为0.04~0.17,O为3.59
~6.46,W为70.55~74.72,Ti为3.53~3.74,C为8.40~9.91,Co为8.84~9.37;其中,N和H
由偏钨酸铵引入;O一部分由偏钨酸铵引入,一部分由TiO2引入;W一部分由偏钨酸铵引入,
一部分由WC引入;C一部分由石墨粉引入,一部分由WC引入;Co由钴粉引入;再加入去离子
水;将混合料经球磨混料、添加成型剂、压制成型、脱脂并煅烧工序后,进行烧结,得到高强
韧性非均匀结构的WC‑TiC‑Co硬质合金。该发明制备的非均匀结构硬质合金,同时具有较高
的硬度、抗弯强度和断裂韧性,综合力学性能较好。
烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的表层富钴无立方相梯度硬质合金。其中,TiN的添
加能够抑制烧结过程中晶粒的长大,并在硬质合金表面形成一层均匀的氮化物相,是硬质
合金性能提升的关键。所制得的表层富钴无立方相梯度硬质合金,其硬度、致密化程度、抗
弯强度都得到大幅提升。
金刀具的摩擦磨损和提高其切削性能。第二类是表层断裂韧性及抗冲击性能相对于内部均
有明显提升的梯度硬质合金,如表层无立方相梯度硬质合金可以改善涂层硬质合金刀具的
抗冲击性能和提升使用寿命。目前,表层无立方相梯度硬质合金的材料体系通常包含TiN或
Ti(C,N)等含氮化合物。但由于TiN或Ti(C,N)相稳定性较差,尤其是在有WC存在的情况下,
烧结过程中特别容易提前分解而产生氮气,若氮气未能及时从硬质合金中逸出,则可能导
致合金的致密度与力学性能降低。目前国内外对表层无立方相梯度硬质合金的研究热点均
局限于含氮元素材料体系,却缺乏对不含氮元素材料体系(如WC‑TiC‑Co)形成表层无立方
相梯度结构及其形成机理的研究。
发明内容
的梯度硬质合金,以及该种梯度硬质合金的制备方法。
20%的Co,0.5~1%的Mo,0.5~1%的B,0.5~1%的Y2O3,余量为WC;所述复合粉体中C的质
量百分比为7.7~12.2%;所述梯度硬质合金的表层由WC相和Co相构成且无立方相,所述WC
相中的WC为长棒状晶粒。
的Cr3C2,16~20%的Co,0.5~1%的Mo,0.5~1%的B,0.5~1%的Y2O3,余量为WC;所述复合
粉体中C的质量百分比为8.4~10.2%。更优选的,所述复合粉体中C的质量百分比为9.7~
10.2%。
1%的Y2O3,余量为WC;所述复合粉体中C的质量百分比为7.7~12.2%;并按复合粉体总质量
的1.5~2.5%称取石蜡,并将石蜡与复合粉体混合均匀,得到坯料;
95~105min并保持1.01×10 ~1.01×10 Pa的真空度;接着以8~12℃/min的速度降温至
1000~1200℃;再接着使坯体随炉冷却,制得表层无TiC相且无立方相的梯度硬质合金;所
述梯度硬质合金的表层由WC相和Co相构成,所述WC相中的WC为长棒状晶粒。
‑2 ‑4
10 ~1.01×10 Pa的真空度;接着以8~1℃/min的速度降温至1000~1200℃;再接着使坯
体随炉冷却,制得表层无TiC相且无立方相的梯度硬质合金;所述梯度硬质合金的表层由WC
相和Co相构成,所述WC相中的WC为长棒状晶粒。
900℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至
‑2 ‑4
1450℃,保温100min,并保持1.01×10 ~1.01×10 Pa的真空度;接着再以10℃/min的速
度降温至1200℃;再接着坯体随炉冷却,制得表层无TiC相且无立方相的梯度硬质合金;所
述梯度硬质合金的表层由WC相和Co相构成,所述WC相中的WC为长棒状晶粒。
~1.2%的Cr3C2,16~20%的Co,0.5~1%的Mo,0.5~1%的B,0.5~1%的Y2O3,余量为WC;
且所述复合粉体中C的质量百分比为8.4~10.2%。更优选的,所述复合粉体中C的质量百分
比为9.7~10.2%
成,且WC相中的WC为长棒状晶粒,表层无TiC相且无立方相的梯度硬质合金,属于不含氮元
素材料体系,可避免含氮体系在烧结过程中因含氮化合物分解产生的氮气未能及时从硬质
合金中逸出而导致合金的致密度与力学性能降低的问题,并且由于表层的WC相中,WC为长
棒状晶粒,故该梯度硬质合金具有更好的韧性。
由WC相与Co相组成,基本无TiC相。而相同的坯体以渗氮气氛烧结所制得的梯度硬质合金则
形成表层富立方相梯度结构,该表层主要由Ti(C,N)相与TiC相组成,基本无WC相。此外,烧
结气氛对合金的芯部显微结构也有显著的影响,真空气氛烧结可明显促进梯度硬质合金芯
部的WC晶粒长大,而相同的坯体以渗氮气氛烧结所制得的梯度硬质合金,则其芯部的WC晶
粒相对较小。
附图说明
具体实施方式
为商用原料,分别从上海水田科技、四川自贡硬质合金和北京阿拉丁等企业采购,所有粉体
杂质含量小于0.5wt.%,其中,WC、Co、TiC、VC、Cr3C2的FSSS粒度分别为0.8μm、0.8μm、1μm、
0.8μm、1μm。
1 18 1 1 18 0.8 0.8 0.8 余量
2 20 0.8 0.8 20 1 1 1 余量
3 20 1 1 18 0.8 0.8 0.8 余量
4 25 0.8 0.8 20 1 1 1 余量
5 25 1 18 0.8 0.8 0.8 余量
6 27 0.8 0.8 18 0.8 0.8 0.8 余量
7 30 0.8 0.8 18 0.8 0.8 0.8 余量
8 32 1 1 18 0.8 0.8 0.8 余量
9 34 1.2 1.2 20 1 1 1 余量
10 34 0.8 0.8 20 1 1 1 余量
11 35 0.8 0.8 20 1 1 1 余量
12 35 1.2 1.2 16 0.5 0.5 0.5 余量
13 45 1 1 18 0.8 0.8 0.8 余量
14 50 1 1 18 0.8 0.8 0.8 余量
15 50 1.2 1.2 16 0.5 0.5 0.5 余量
16 52 1 1 18 0.8 0.8 0.8 余量
17 55 1 1 18 0.8 0.8 0.8 余量
制在复合粉体总质量的1.5~2.5%的范围内,则该范围内石蜡用量不影响烧结形成的梯度
硬质合金的结构和性能。
完成球磨的浆料在旋转蒸发仪中真空干燥,过筛后得到坯料。
℃/min的速度升温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1450℃,保温100min,并
‑2
保持1.01×10 的真空度;接着再以10℃/min的速度降温至1200℃;再接着坯体随炉冷却,
制得表层无TiC相的WC‑TiC‑Co基梯度硬质合金,烧结曲线如图1所示。
与实施例12的不同之处在于制备方法中的烧结步骤。本实施例的制备方法中的烧结步骤如
下:将坯体置于烧结炉中,以3℃/min的速度升温至200℃,保温40min;以3℃/min的速度升
温至400℃,保温90min;以10℃/min的速度升温至900℃,保温40min;以10℃/min的速度升
‑
温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1450℃,保温100min,并保持1.01×10
4
Pa的真空度;接着再以10℃/min的速度降温至1200℃;再接着坯体随炉冷却,制得表层WC
为长棒状晶粒且无立方相无TiC相的梯度硬质合金。
与实施例12的不同之处在于制备方法中的烧结步骤。本实施例的制备方法中的烧结步骤如
下:将坯体置于烧结炉中,以3℃/min的速度升温至200℃,保温40min;以3℃/min的速度升
温至400℃,保温90min;以10℃/min的速度升温至900℃,保温40min;以10℃/min的速度升
‑
温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1430℃,保温100min,并保持1.01×10
4
Pa的真空度;接着再以10℃/min的速度降温至1200℃;再接着坯体随炉冷却,制得表层WC
为长棒状晶粒且无立方相无TiC相的梯度硬质合金。
方法中的烧结步骤如下:将坯体置于烧结炉中,以3℃/min的速度升温至200℃,保温40min;
以3℃/min的速度升温至400℃,保温90min;以10℃/min的速度升温至900℃,保温40min;以
10℃/min的速度升温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1450℃,保温100min,
‑5
并保持1.01×10 Pa的真空度;接着再以10℃/min的速度降温至1200℃;再接着坯体随炉冷
却,制得合金。
法中的烧结步骤如下:将坯体置于烧结炉中,以3℃/min的速度升温至200℃,保温40min;以
3℃/min的速度升温至400℃,保温90min;以10℃/min的速度升温至900℃,保温40min;以10
℃/min的速度升温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1400℃,保温100min,并
‑4
保持1.01×10 Pa的真空度;接着再以10℃/min的速度降温至1200℃;再接着坯体随炉冷
却,制得合金。
法中的烧结步骤如下:将坯体置于烧结炉中,以3℃/min的速度升温至200℃,保温40min;以
3℃/min的速度升温至400℃,保温90min;以10℃/min的速度升温至900℃,保温40min;以10
℃/min的速度升温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1480℃,保温100min,并
‑4
保持1.01×10 Pa的真空度;接着再以10℃/min的速度降温至1200℃;再接着坯体随炉冷
却,制得合金。
法中的烧结步骤如下:将坯体置于烧结炉中,以3℃/min的速度升温至400℃,保温90min;以
‑4
10℃/min的速度升温至1450℃,保温100min,并保持1.01×10 Pa的真空度;接着再以10℃/
min的速度降温至1200℃;再接着坯体随炉冷却,制得合金。
法中的烧结步骤如下:将坯体置于烧结炉中,以3℃/min的速度升温至200℃,保温40min;以
3℃/min的速度升温至400℃,保温90min;以10℃/min的速度升温至900℃,保温40min;以10
℃/min的速度升温至1200℃,保温40min;以10℃/min的速度升温至1450℃,然后向烧结炉
中通入氮气至氮气压强为4MPa,在1450℃下保温100min;接着再以10℃/min的速度降温至
1200℃;再接着坯体随炉冷却,制得合金。
观结构进行表征,并采用EDS观察不同区域元素的变化。
表层中基本无TiC相存在。图3是实施例12制备的合金其内部截面的微观组织形貌,合金内
部组织主要由3种物相组成:椭圆状的“芯‑环”结构立方相、白色的WC相以及深灰色的Co相。
图4是实施例12制备的合金截面的SEM图。
含量对合金表层WC的晶型有关键性的影响。实施例20~23制备的合金截面微观结构表征结
果显示,实施例20~23制备的合金均未能形成明显的梯度结构,可见烧结气氛对合金梯度
结构的形成具有关键性作用。实施例24制备的合金的XRD分析及截面微观结构表征结果显
示,该合金为梯度合金,但是合金表层主要是Ti(C,N)相和TiC相的面心立方相,没有检测到
明显的WC相或Co相;过渡层的微观结构特征主要是粗大的WC晶粒且TiC含量相对较低;内部
正常组织区域的WC晶粒相对实施例12制备的合金较细小且分布均匀,由此可见烧结气氛对
合金芯部的结构也有明显影响。
Ti等元素向内迁移,进而形成表层无立方相梯度结构。本发明制备的梯度硬质合金的材料
体系不含N元素,因此其表层无立方相梯度结构的形成机理与传统制备方法的形成机理不
同,在真空烧结之前,合金截面的TiC、WC、Co相均匀分布;在高温真空烧结过程中,合金表层
的Ti元素在真空烧结时挥发,促使表层的TiC含量减少直至消失,进而使得表层中的Co含量
相对增加;最终形成无TiC相且富Co的表层组织。因此,本发明所述的WC‑TiC‑Co材料体系形
成无立方相表层的主要原因是表层Ti元素向真空中挥发。
相且无立方相,力学性能良好,韧性突出的梯度硬质合金:以2~3℃/min的速度升温至380
‑2
~420℃,再以8~12℃/min的速度升温至1430~1450℃,保温95~105min并保持1.01×10
‑4
~1.01×10 Pa的真空度;接着以8~12℃/min的速度降温至1000~1200℃;再接着使坯体
随炉冷却。
明的保护。