一種深孔加工用超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深孔加工用超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法，其特征是采用VC-Co飽和固溶體為粘結(jié)相，并通過超聲分散和pH值調(diào)節(jié)使表面包覆吐溫80分子膜；采用（WC，VC）二元復(fù)合粉末實(shí)現(xiàn)VC對(duì)WC晶界面遷移抑制；控制用于提高紅硬性的(W，Ta)C粉末的重量*平均粒度=（WC，VC）粉末的重量*平均粒度，使二者顆粒數(shù)匹配。本發(fā)明的超細(xì)硬質(zhì)合金材料的制備方法可避免傳統(tǒng)工藝中抑制劑后添加的方式造成的難以均勻分散、抑制劑自身團(tuán)聚以及液相燒結(jié)時(shí)在粘結(jié)相中溶解而導(dǎo)致抑制作用不能充分發(fā)揮的問題，可滿足深孔加工刀具材料高強(qiáng)韌性和高硬度的綜合要求。
【專利說明】一種深孔加工用超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金材料的制備方法，特別是用于深孔加工用的超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法，屬于硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金是以WC等難熔過渡族金屬碳化物作為基，以Co等鐵族金屬元素作為粘結(jié)劑，采用粉末冶金方法制備成的多相固體材料。硬質(zhì)合金具有高硬度、耐磨耐腐蝕性、高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的性能，因此硬質(zhì)合金廣泛應(yīng)用于切削刀具，被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒”。硬質(zhì)合金作為脆性材料存在強(qiáng)度與硬度的固有矛盾，一般其硬度越高強(qiáng)度越低，而強(qiáng)度越高硬度越低。在成分相同的鎢鈷類硬質(zhì)合金中，WC晶粒越細(xì)，硬質(zhì)合金的硬度越高，耐磨性越好;wc晶粒越粗，抗彎強(qiáng)度越高，沖擊韌性越好，而硬度與耐磨性下降。而在機(jī)械加工的許多場(chǎng)合，如深孔加工時(shí)要求刀具具有高強(qiáng)度高硬度的優(yōu)異綜合性能，經(jīng)過超細(xì)化可以滿足要求。
[0003]目前，超細(xì)硬質(zhì)合金已經(jīng)成為硬質(zhì)合金的一個(gè)重要發(fā)展方向，但是如何抑制燒結(jié)過程中WC晶粒的長(zhǎng)大是需要解決的難題。發(fā)明專利200510032406.9公開了一種超高硬度超細(xì)硬質(zhì)合金的制備方法。配料選用Fsss0.2~0.4 μ m的超細(xì)WC粉末為硬質(zhì)相，采用微量(3.0wt %的Mo或≤1.0wt %的Ni和或Co粉作為粘結(jié)劑，Ni和Co粉的費(fèi)氏粒度為0.85~1.4μπι，抑制劑(VC+Cr3C2)的含量控制在(0.45~0.9)wt %的范圍內(nèi)，其中Cr3C2: VC =1.8~1.1。發(fā)明專利201110347141.7配料時(shí)選用0.4 μ m的超細(xì)WC粉末作為硬質(zhì)相，重量百分比為8%的Co粉作為粘結(jié)相，鈷粉的費(fèi)氏粒度為1.42 μ m，抑制劑的加入量為VC:0.2%，NbC:0.4%ο
[0004]可見，W、Cr3C2等過渡金屬碳化物已經(jīng)成為有效的WC晶粒長(zhǎng)大抑制劑。但是，目前超細(xì)硬質(zhì)合金制造時(shí)廣泛采用抑制劑后添加的方式存在一些不利影響。一方面，由于VC、Cr3C2等WC晶粒長(zhǎng)大抑制劑的添加量很少，體積分?jǐn)?shù)小，通常約1%左右，很難均勻分散到WC晶粒周圍抑制其生長(zhǎng)；相反這些微量添加的抑制劑自身很容易團(tuán)聚形成缺陷。另一方面，燒結(jié)過程中微量添加的抑制劑優(yōu)先在液相粘結(jié)金屬中溶解，雖然在一定程度上阻止WC在液相中的Ostwald熟化，但是其在WC晶粒界面偏聚減少，難以通過阻礙WC的界面遷移來實(shí)現(xiàn)抑制WC顆粒聚集長(zhǎng)大的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]目前制造深孔加工用超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料時(shí)采用后添加抑制劑的方式存在的難以均勻分散、容易團(tuán)聚以及優(yōu)先溶解在液相后導(dǎo)致抑制作用不能充分發(fā)揮的問題。本發(fā)明針對(duì)目前工藝技術(shù)存在的問題，以VC為抑制劑，添加TaC提高紅硬性。采用(WC，VC) 二元復(fù)合粉末、VC-Co飽和固溶體粉末以及(W，Ta) C 二元固溶體粉末為原料，控制其成分、粒度搭配方式和制造工藝，發(fā)明了一種超細(xì)硬質(zhì)合金材料制備方法，可滿足深孔加工刀具材料高強(qiáng)韌性和高硬度的綜合要求。[0006]本發(fā)明的深孔加工用超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法，其特征在于依次包含以下步驟:
(1)VC-Co飽和固溶體的表面處理:按6~llwt%稱取粒度為1.0~1.5μM的VC-Co飽和固溶體粉末，固溶體粉末中VC含量為其在Co中的飽和溶解度10wt% ;將固溶體粉末放入加有吐溫80的無水乙醇中進(jìn)行30~60min超聲分散處理，采用NH3.H2O和HCOOH調(diào)節(jié)pH值到7.5~8.5，使VC-Co飽和固溶體粉末包覆一層吐溫80分子膜；
(2)(W，Ta)C 二元固溶體粉末的匹配處理:按20~50wt%^5^((WC，TaC)二元固溶體粉末，粉末粒度為2.0~3.0 μ m，TaC含量為15~45wt% ;對(duì)(W，Ta) C進(jìn)行12~72h行星球磨，使(W，Ta) C粉末的重量*平均粒度=(WC，VC)粉末的重量*平均粒度；使二者的體積分?jǐn)?shù)匹配；
(3)(WC,VC) 二元復(fù)合粉末預(yù)球磨:(WC，VC) 二元復(fù)合粉末為余量，粉末粒度為0.2~0.45 μ m, VC含量為0.5wt%,準(zhǔn)確稱量后加入到(W，Ta) C 二元固溶體中球磨12~72h，使二者均勻混合；
(4)生坯制備:將VC-Co飽和固溶體、(W，Ta)C 二元固溶體和(WC，VC) 二元復(fù)合粉末的料漿混合，并加入球磨機(jī)進(jìn)行球磨、過濾、干燥后壓制成生坯；
(5)真空燒結(jié):真空燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，首先在300°C~600°C下保溫2~4h以脫除成型劑，真空度為10~15Pa ;在1350~1450°C下保溫時(shí)間為1~3h以完成真空燒結(jié)，真空度為1~5 Pa ;
(6)低壓燒結(jié):低壓燒結(jié)在低壓燒結(jié)爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1450°C~1550°C，保溫時(shí)間2~油，氬氣壓力為5~lOMPa。
[0007]本發(fā)明的深孔加工用超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法，進(jìn)一步的特征在于:
(1)VC-Co飽和固溶體的表面處理時(shí)，先將VC-Co飽和固溶體原料粉末與無水乙醇配成質(zhì)量百分比為5~30%的懸濁液，加1~5vol%的吐溫80 ；
(2)(W，Ta)C 二元固溶體粉末的匹配處理時(shí)，球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為100~500ml/kg,球磨速度為200~400r/min, 研磨時(shí)間為12h~60h, 研磨球?yàn)棣?的WC-6wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為5:1~10:1 ;
(3)(WC，VC)二元復(fù)合粉末預(yù)球磨時(shí)，球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為100~500ml/kg，球磨速度為60~100r/min，研磨時(shí)間為12h~60h,研磨球?yàn)棣?~8mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3:1~5:1 ;
(4)混合料制備時(shí),球磨介質(zhì)為無水乙醇,其加量為100~500ml/kg,球磨速度為60~100r/min,研磨時(shí)間為12h~60h,研磨球?yàn)棣?~8mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3:1~5:1 ;石蠟成型劑的加入量為2~8wt%，加入時(shí)間為濕磨結(jié)束前2~6h ;球磨后金屬陶瓷料漿經(jīng)400目過濾，真空干燥處理溫度為85°C~120°C，真空度為I~5 Pa ;在300~500MPa下壓制成生坯。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)超細(xì)硬質(zhì)合金粘結(jié)相采用VC-Co飽和固溶體粉末，可以使VC在Co粘結(jié)相均勻分散；而且其含量飽和，在燒結(jié)過程中不會(huì)因VC在Co中的溶解而減小其晶粒長(zhǎng)大抑制作用。(2)超細(xì)硬質(zhì)合金硬質(zhì)相采用(WC，VC) 二元復(fù)合粉末，VC在WC顆粒附近均勻分布，可使其在燒結(jié)過程中在WC晶界附近偏聚，實(shí)現(xiàn)原位抑制晶粒長(zhǎng)大；同時(shí)與WC復(fù)合后其比例放大，不再是微量后添加，可以避免球磨過程中的不均勻。(3)用于提高紅硬性的TaC采用(W，Ta)C 二元固溶體的方式添加，可使其均勻分散，同時(shí)控制(W，Ta)C 二元固溶體和(WC，VC)二元復(fù)合粉末的粒度配比，使二者的顆粒數(shù)相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)二者的微區(qū)均勻混合。
[0009]【具體實(shí)施方式】
實(shí)例I: VC-Co飽和固溶體的粒度為1.5 um, VC含量10wt% ； (W，Ta) C 二元固溶體粒度為2.6iim，TaC含量35wt%; (WC，VC) 二元復(fù)合粉末粒度為0.4 y m，VC含量0.5wt%;三種原料的含量分別為6wt%，25wt%, 69wt%0首先將VC-Co飽和固溶體粉末與無水乙醇配成質(zhì)量百分比為20%的懸濁液進(jìn)行超聲處理，吐溫80的加入量為lvol%，超聲分散時(shí)間為30min。然后將(W，Ta) C 二元固溶體行星球磨72h，使(W，Ta) C粉末的重量*平均粒度=(WC，VC)粉末的重量*平均粒度。球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為200ml/kg，球磨速度為380r/min，研磨球?yàn)棰?mm的WC-6wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為10:1。再將(WC，VC) 二元復(fù)合粉末加入到匹配處理完畢的(W，Ta)C料漿中進(jìn)行預(yù)球磨，球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為300ml/kg,球磨速度為80r/min,研磨時(shí)間為24h,研磨球?yàn)镃>6mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3:1。最后將VC-Co飽和固溶體、(W，Ta) C 二元固溶體和(WC，VC) 二元復(fù)合粉末的料漿混合，一起加入球磨機(jī)進(jìn)行球磨，球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為300ml/kg,球磨速度為60r/min,研磨時(shí)間為24h,研磨球?yàn)镃>8mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為4:1 ;石臘成型劑的加入量為3wt%,加入時(shí)間為濕磨結(jié)束前6h ;球磨后硬質(zhì)合金混合料料漿經(jīng)400目過濾，真空干燥處理溫度為90°C，真空度為5 Pa ;在300MPa下壓制成生坯。生坯在真空爐中在500°C進(jìn)行，保溫2h，真空度為IOPa下脫除成型劑。在燒結(jié)溫度為1430°C，保溫時(shí)間為lh，真空度5Pa下完成燒結(jié)。將燒結(jié)好的硬質(zhì)合金在低壓燒結(jié)爐中，低壓燒結(jié)在1500°C下進(jìn)行，保溫時(shí)間2h，氬氣壓力為5MPa。所制備的超細(xì)硬質(zhì)合金的WC晶粒度為0.4~0.5 ii m，硬度93.1HRA,抗彎強(qiáng)度3500MPa。
[0010]實(shí)例2 =VC-Co飽和固溶體的粒度為1.4 i! m，VC含量10wt% ； (W，Ta) C 二元固溶體粒度為2.1 ii m，TaC含量21wt%; (WC, VC) 二元復(fù)合粉末粒度為0.45 u m, VC含量0.5wt%;三種原料的含量分別為10wt%，45wt%,45wt%。首先將VC-Co飽和固溶體粉末與無水乙醇配成質(zhì)量百分比為20%的懸濁液進(jìn)行超聲處理，吐溫80的加入量為2vol%，超聲分散時(shí)間為40min。然后將(W，Ta) C 二元固溶體行星球磨42h，使(W，Ta) C粉末的重量*平均粒度=(WC, VC)粉末的重量*平均粒度。球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為250ml/kg，球磨速度為340r/min,研磨球?yàn)镺6mm的WC_6wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為8:1。再將(WC，VC)二元復(fù)合粉末加入到匹配處理完畢的(W，Ta)C料漿中進(jìn)行預(yù)球磨，球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為300ml/kg,球磨速度為90r/min,研磨時(shí)間為36h,研磨球?yàn)镃>6mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為4:1。最后將VC-Co飽和固溶體、(W，Ta) C 二元固溶體和(WC，VC) 二元復(fù)合粉末的料漿混合，一起加入球磨機(jī)進(jìn)行球磨，球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為350ml/kg,球磨速度為70r/min,研磨時(shí)間為36h,研磨球?yàn)镃>8mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3:1 ;石臘成型劑的加入量為2wt%,加入時(shí)間為濕磨結(jié)束前4h ;球磨后硬質(zhì)合金混合料料漿經(jīng)400目過濾，真空干燥處理溫度為95°C，真空度為I Pa ;在350MPa下壓制成生坯。生坯在真空爐中在550°C進(jìn)行，保溫2.5h，真空度為15Pa下脫除成型劑。在燒結(jié)溫度為1400°C，保溫時(shí)間為2h，真空度5Pa下完成燒結(jié)。將燒結(jié)好的硬質(zhì)合金在低壓燒結(jié)爐中，低壓燒結(jié)在1510°C下進(jìn)行，保溫時(shí)間2h，氬氣壓力為6MPa。所制備的粗晶粒硬質(zhì)合金的WC晶粒度為0 .45~0.5 i! m,硬度92.5HRA,抗彎強(qiáng)度3800MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種深孔加工用超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法，其特征在于依次包含以下步驟: (1)VC-Co飽和固溶體的表面處理:按6~llwt%稱取粒度為1.0~1.5μπι的VC-Co飽和固溶體粉末，固溶體粉末中VC含量為其在Co中的飽和溶解度10wt% ;將固溶體粉末放入加有吐溫80的無水乙醇中進(jìn)行30~60min超聲分散處理，采用NH3.H2O和HCOOH調(diào)節(jié)pH值到7.5~8.5，使VC-Co飽和固溶體粉末包覆一層吐溫80分子膜； (2)(W，Ta)C 二元固溶體粉末的匹配處理:按20~50wt9^^5^((WC，TaC)二元固溶體粉末，粉末粒度為2.0~3.0 μ m，TaC含量為15~45wt% ;對(duì)(W，Ta) C進(jìn)行12~72h行星球磨，使(W，Ta) C粉末的重量*平均粒度=(WC，VC)粉末的重量*平均粒度；使二者的體積分?jǐn)?shù)匹配； (3)(WC,VC) 二元復(fù)合粉末預(yù)球磨:(WC，VC) 二元復(fù)合粉末為余量，粉末粒度為0.2~0.45 μ m, VC含量為0.5wt%,準(zhǔn)確稱量后加入到(W，Ta) C 二元固溶體中球磨12~72h，使二者均勻混合； (4)生坯制備:將VC-Co飽和固溶體、(W，Ta)C 二元固溶體和(WC，VC) 二元復(fù)合粉末的料漿混合，并加入球磨機(jī)進(jìn)行球磨、過濾、干燥后壓制成生坯； (5)真空燒結(jié):真空燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，首先在300°C~600°C下保溫2~4h以脫除成型劑，真空度為10~15Pa ;在1350~1450°C下保溫時(shí)間為I~3h以完成真空燒結(jié)，真空度為I~5 Pa ; (6)低壓燒結(jié):低壓燒結(jié)在低壓燒結(jié)爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1450°C~1550°C，保溫時(shí)間2~油，氬氣壓力為5~lOMPa。`
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深孔加工用超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法，進(jìn)一步的特征在于: (1)VC-Co飽和固溶體的表面處理時(shí)，先將VC-Co飽和固溶體原料粉末與無水乙醇配成質(zhì)量百分比為5~30%的懸濁液，加I~5vol%的吐溫80 ； (2)(W，Ta)C 二元固溶體粉末的匹配處理時(shí)，球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為100~500ml/kg,球磨速度為200~400r/min, 研磨時(shí)間為12h~60h, 研磨球?yàn)棣?的WC-6wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為5:1~10:1 ; (3)(WC，VC)二元復(fù)合粉末預(yù)球磨時(shí)，球磨介質(zhì)為無水乙醇，其加量為100~500ml/kg，球磨速度為60~100r/min，研磨時(shí)間為12h~60h,研磨球?yàn)棣?~8mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3:1~5:1 ; (4)混合料制備時(shí),球磨介質(zhì)為無水乙醇,其加量為100~500ml/kg,球磨速度為60~100r/min,研磨時(shí)間為12h~60h,研磨球?yàn)棣?~8mm的WC_8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為3:1~5:1 ;石蠟成型劑的加入量為2~8wt%，加入時(shí)間為濕磨結(jié)束前2~6h ;球磨后金屬陶瓷料漿經(jīng)400目過濾，真空干燥處理溫度為85°C~120°C，真空度為I~5 Pa ;在300~500MPa下壓制成生坯。
【文檔編號(hào)】B23B27/14GK103667843SQ201310715220
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】郭智興, 熊計(jì), 林子皓, 萬維財(cái), 鐘華 申請(qǐng)人:四川大學(xué)