專利名稱：一種WC-增韌增強Ni₃Al硬質(zhì)合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塑性成形技術(shù)及粉末冶金技術(shù)，具體是指一種以增韌增強 Ni3Al為粘結(jié)相的碳化鉤(WC)材料即WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金及其制 備方法。
背景技術(shù)：
碳化鎢硬質(zhì)合金由于其高硬度、高耐磨性和高紅硬性，被廣泛地用作微 型鉆頭、打印針頭、精密工模具和特殊刀具?，F(xiàn)有的碳化鎢硬質(zhì)合金材料， 主要由基體碳化鉤和粘結(jié)相鈷等組成，然而由于鈷價格較為昂貴，而且其高 溫強度、高溫蠕變抗力和耐腐蝕性能均相對較低， 一定程度上限制了以鈷作 為粘結(jié)相的碳化鉤硬質(zhì)合金的應(yīng)用；而且其主要制備方法是預(yù)成形后采用 輻射加熱燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等方法進(jìn)行燒結(jié)，而這些燒結(jié)方法的燒結(jié)時間 較長，易使碳化鉤晶粒長大，從而削弱燒結(jié)態(tài)合金的性能。
梅炳初等于1996年第18巻第1期《武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報》上發(fā)表的文章 "Ni3Al的有序性、脆性及塑性"和陳金櫨等于2006年第20巻第1期《材料 導(dǎo)報》上發(fā)表的文章"Ni3Al基合金的研究與應(yīng)用進(jìn)展"中指出Ni3Al金屬間 化合物不僅具有室溫下的高硬、高強和優(yōu)異的耐腐蝕性能，而且具有優(yōu)異的 高溫強度和高溫蠕變抗力，更重要的是具有在800 100(TC之間屈服強度隨溫 度的升高而升高的"R"型反常屈服強度現(xiàn)象。陳國良等于1999年冶金工業(yè)出 版社出版的《有序金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料物理金屬學(xué)基礎(chǔ)》中指出，添加適 量的一些合金元素可以提高Ni3Al的性能添加鐵元素可以代替部分鎳，改 善Ni3Al的力學(xué)和耐蝕性能；添加鉻元素可以提高Ni3Al的抗氧化性，從而 降低其中溫脆性；添加硼和鋯可以改善Ni3Al的室溫塑性和韌性。鄭志等于 1992年第Sl期《材料工程》上發(fā)表的文章"鋯對無硼M3A1合金組織性能的 影響"中指出鋯不僅可以明顯提高無硼Ni3Al在室溫和高溫的屈服強度，還 可以使NbAl屈服強度的反常峰值溫度增加。雖然有關(guān)研究已表明，通過合 理添加鐵、鉻、鋯、硼等多種合金元素可增韌和增強Ni3Al，但是目前尚未見任何有關(guān)將增韌增強Ni3Al代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘結(jié)相鈷用作碳化鎢粘結(jié)相的報道。如 果要充分發(fā)揮以增韌增強Ni3Al為粘結(jié)相的碳化鎢硬質(zhì)合金的性能優(yōu)勢，使 碳化鉤硬質(zhì)合金具有比目前常用的碳化鉤-鈷硬質(zhì)合金更為優(yōu)異的綜合性能， 尤其是優(yōu)異的高溫硬度和強度；直至其以良好的性價比進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，則需要 艱苦深入地摸索、合理設(shè)計和優(yōu)化硬質(zhì)合金材料的成分配方和相應(yīng)的制備工 藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種以增韌增強Ni3Al 金屬間化合物代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鈷作為粘結(jié)相的WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金材料。
本發(fā)明的另一個目的還在于通過合理的成分設(shè)計和優(yōu)化制備工藝相結(jié) 合，提供一種能進(jìn)一步改善材料的綜合性能、工藝簡便、生產(chǎn)成本相對低的 WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金材料的制備方法。
本發(fā)明的目的可以通過如下措施來實現(xiàn)
一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的配比中以增韌增強Ni3Al金屬間化 合物代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘結(jié)相鈷，其組分及其質(zhì)量百分比含量如下WC 89.00-94.00%，增韌增強Ni3A16.00 11.00。/。，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述增韌增強Ni3Al組分及其質(zhì)量百分比含量為 Ni 68.90~70.20%， Al 10.00-11.00%， Fe 10.40 10.90%， Cr 7.90~8.30%， Zr 0.80~1.00%， B 0.20~0.40o/o。
上述的這種WC-增韌增強M3A1硬質(zhì)合金的制備方法包括如下步驟 步驟一碳化鉤(WC)基硬質(zhì)合金粉末的的成分設(shè)計 將WC、 Ni、 Al、 Fe、 Cr、 Zr和B粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比 WC 89.00~94.00% 、 Ni 4.13~7.720/0、 Al 0.60~1.210/o、 Fe 0.63~1.20%、 Cr 0.48-0.91%、 Zr0.05~0.11%、 B 0.01 0.04%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)； 步驟二高能球磨
按上述原料粉末質(zhì)量百分比用量投料進(jìn)行高能球磨，直至球磨粉末中 WC粉末晶粒平均尺寸細(xì)化至小于200nm; 步驟三放電等離子燒結(jié)球磨粉末
將高能球磨后的硬質(zhì)合金粉末裝入放電等離子燒結(jié)模具，采用放電等離 子快速燒結(jié)，燒結(jié)工藝條件如下燒結(jié)電流類型直流脈沖電流 燒結(jié)壓力30~50MPa 燒結(jié)加熱速率50 300°C/min 燒結(jié)溫度1200~1500°C 燒結(jié)保溫時間l~20min 燒結(jié)真空度24Pa
經(jīng)快速燒結(jié)獲得組織細(xì)小、均勻的一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點
1、 采用本發(fā)明制備的碳化鎢硬質(zhì)合金，其粘結(jié)相為增韌增強Ni3Al金屬 間化合物，通過合理添加多種合金元素使Ni3Al金屬間化合物具有良好的室 溫和高溫強韌性。其中，添加鐵元素可改善Ni3Al的力學(xué)和耐蝕性能；添加 鉻元素可提高Ni3Al的抗氧化性，降低其中溫脆性；添加鋯元素則可以明顯 提高Ni3Al在室溫和高溫的屈服強度，并使Ni3Al屈服強度的反常峰值溫度 增加；添加硼元素則可改善Ni3Al的室溫塑性和韌性，并使碳化鴇具有良好 的潤濕性。以增韌增強Ni3Al為碳化鎢的粘結(jié)相，與以鈷為粘結(jié)相時相比， 碳化鎢合金不僅室溫下具有良好的強度、更高的硬度、和更為優(yōu)異的耐腐蝕 性能，更為重要的是，在高溫下其強度、蠕變抗力、抗氧化性能和耐腐蝕性 能等均比鈷為粘結(jié)相時要優(yōu)越得多，而且比以未經(jīng)增韌增強處理的Ni3Al為 粘結(jié)相時，也具有更高的韌性、強度和耐磨性能?？蓮V泛地應(yīng)用于加工工具， 特別是可用于制造微型鉆頭、盾構(gòu)機刀頭等對材料強韌性，耐高溫、耐磨和 耐蝕性能要求高的特殊刀具。
2、 采用本發(fā)明制備的碳化鎢硬質(zhì)合金，以增韌增強Ni3Al金屬間化合物 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鈷作為粘結(jié)相，不僅綜合性能優(yōu)異，而且因該增韌增強Ni3Al所 用材料的整體價格比鈷便宜，可有效降低硬質(zhì)合金材料的成本，從而提高其 性價比，具有更好的推廣應(yīng)用前景。
3、 本發(fā)明采用的放電等離子燒結(jié)技術(shù)不僅工藝簡便，而且可利用燒結(jié)過 程中由鎳、鋁等元素原位反應(yīng)生成的增韌增強Ni3Al抑制碳化鎢晶粒長大， 同時，發(fā)揮放電等離子燒結(jié)技術(shù)的放電效應(yīng)、燒結(jié)溫度低和燒結(jié)時間短等一系 列優(yōu)點，進(jìn)一步細(xì)化燒結(jié)合金的組織，并獲得近全致密、組織均勻且細(xì)小的塊體燒結(jié)態(tài)碳化鎢合金，從而改善燒結(jié)態(tài)碳化鎢合金的力學(xué)性能。
具體實施例方式
通過如下實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。
實施例1
一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的制備方法包括如下步驟-
步驟一碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末的成分設(shè)計
將WC、 Ni、 Al、 Fe、 Cr、 Zr和B粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比
WC: 94.00%
Ni: 4.13%
Al: 0.66%
Fe: 0.63%
Cr- 0.50%
Zr: 0.06%
B: 0.02%
含有不可避免的微量雜質(zhì)。
WC粉末純度^99.9%、粒度2 4pm; Ni、 Al、 Zr和Cr粉末純度^99.9%、 粒度l 3|xm; Fe粉末純度^99.5%、粒度5 6[xm; B粉純度^99,0%、為無定 形的高純硼粉。
步驟二硬質(zhì)合金粉末的高能球磨制備
按步驟一所述碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末配比的用量，將粉末原料置于行星 式球磨機中進(jìn)行高能球磨，磨球材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10"，球 磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。球磨時間為30小時， 此時WC粉末晶粒已細(xì)化至約180nm。
步驟三放電等離子燒結(jié)球磨粉末
將25g硬質(zhì)合金球磨粉末，裝入直徑為O20mm的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行 放電等離子燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為120(TC，加熱速度為 50°C/min，保溫時間為20min，真空度為4Pa?？焖贌Y(jié)后獲得組織細(xì)小、均 勻的一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的超細(xì)晶塊體合金材料，其中含6.00% (質(zhì)量百分比含量)的增韌增強Ni3Al即Ni 68.90、 Al 11.00、 Fe 10.40、 Cr 8.30、Zrl.OO、 B0.40 (質(zhì)量百分比含量)。燒結(jié)態(tài)碳化鎢合金的密度為14.3g/cm3; WC晶粒尺寸主要分布在250 350nm范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸約300nm;室溫 硬度和抗彎強度分別為90HRA和3890MPa。 實施例2
一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的制備方法包括如下步驟
步驟一碳化鉤基硬質(zhì)合金粉末的成分設(shè)計
將WC、 Ni、 Al、 Fe、 Cr、 Zr和B粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比 WC: 89.00% Ni: 7.72%
Al: 1.10%
Fe: 1.20% Cr.' 0.87% Zr: 0.09% B: 0.02%
含有不可避免的微量雜質(zhì)。
WC粉末純度^99,9%、粒度2 4pm; Ni、 Al、 Zr和Cr粉末純度^99.9%、 粒度l~3|xm; Fe粉末純度^99.5%、粒度5~6nm; B粉純度^99.0%、為無定
形的高純硼粉。
步驟二硬質(zhì)合金粉末的高能球磨制備
按步驟一所述碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末配比的用量，將粉末原料置于行星
式球磨機中進(jìn)行高能球磨，磨球材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10:1，球 磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。球磨時間為50小時， 此時WC粉末晶粒已細(xì)化至約100nm。 步驟三放電等離子燒結(jié)球磨粉末
將25g硬質(zhì)合金球磨粉末，裝入直徑為①20mm的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行 放電等離子燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為150(TC，加熱速度為 300°C/min，保溫時間為lmin，真空度為0.6Pa。快速燒結(jié)后獲得組織細(xì)小、 均勻的一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的超細(xì)晶塊體合金材料，其中含 11.00% (質(zhì)量百分比含量)的增韌增強Ni3Al即Ni 70.20、 Al 10.00、 Fe 10.90、 Cr 7.90、 Zr 0.80、 B 0.20 (質(zhì)量百分比含量)。燒結(jié)態(tài)碳化鎢合金的密度為14.0g/cm3; WC晶粒尺寸主要分布在180~250nm范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸約 230nm;室溫硬度和抗彎強度分別為91HRA和4070MPa。 實施例3
一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的制備方法包括如下步驟 步驟一碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末的成分設(shè)計
將WC、 Ni、 Al、 Fe、 Cr、 Zr和B粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比
wc:94.00%
Ni:4.21%
Al:0.60%
Fe:0.65%
Cr:0.48%
Zr:0.05%
B:0.01%
含有不可避免的微量雜質(zhì)。
WC粉末純度^99.9°/。、粒度2 4jxm; Ni、 Al、 Zr和Cr粉末純度^99.9%、 粒度l~3|im; Fe粉末純度^99.5%、粒度5~6|um; B粉純度^99.0%、為無定
形的高純硼粉。
步驟二硬質(zhì)合金粉末的高能球磨制備
按步驟一所述碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末配比的用量，將粉末原料置于行星 式球磨機中進(jìn)行高能球磨，磨球材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10:1，球 磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。球磨時間為60小時， 此時WC粉末晶粒已細(xì)化至約80nm。
步驟三放電等離子燒結(jié)球磨粉末
將25g硬質(zhì)合金球磨粉末，裝入直徑為<D20mm的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行 放電等離子燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為40MPa，燒結(jié)溫度為1300°C，加熱速度為 150°C/min，保溫時間為10min，真空度為4Pa?？焖贌Y(jié)后獲得組織細(xì)小、均 勻的一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的超細(xì)晶塊體合金材料，其中含6.00% (質(zhì)量百分比含量)的增韌增強Ni3Al即Ni 70.20、 Al 10.00、 Fe 10.90、 Cr 7》0、 Zr0.80、 B0.20 (質(zhì)量百分比含量)。燒結(jié)態(tài)碳化鎢合金的密度為14.3g/cm3; WC晶粒尺寸主要分布在170 240nm范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸約220nm;室溫硬度和抗彎強度分別為93HRA和4180MPa。 實施例4
一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的制備方法包括如下步驟 步驟一碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末的成分設(shè)計
將WC、 Ni、 Al、 Fe、 Cr、 Zr和B粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比:
wc:89.00%
Ni:7.58%
Al:1.21%
Fe:1.15%
Cr:0.91%
Zr:0.11%
B:0.04%
含有不可避免的微量雜質(zhì)。
WC粉末純度^99.9%、粒度2 4pm; Ni、 Al、 Zr和Cr粉末純度^99.9%、 粒度l~3|im; Fe粉末純度^99.5%、粒度5~6nm; B粉純度^99.0%、為無定
形的高純硼粉。
步驟二硬質(zhì)合金粉末的高能球磨制備
按步驟一所述碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末配比的用量，將粉末原料置于行星 式球磨機中進(jìn)行高能球磨，磨球材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10:1，球 磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。球磨時間為60小時， 此時WC粉末晶粒已細(xì)化至約80nm。
步驟三放電等離子燒結(jié)球磨粉末
將25g硬質(zhì)合金球磨粉末，裝入直徑為O20mm的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行 放電等離子燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為1300°C，加熱速度為 300°C/min，保溫時間為10min，真空度為0.6Pa?？焖贌Y(jié)后獲得組織細(xì)小、 均勻的一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的超細(xì)晶塊體合金材料，其中含 11.00% (質(zhì)量百分比含量)的增韌增強Ni3Al即M 68.90、 Al 11.00、 Fe 10.40、 Cr 8.30、 Zr 1.00、 B0.40 (質(zhì)量百分比含量)。燒結(jié)態(tài)碳化鎢合金的密度為 14.1g/cm3; WC晶粒尺寸主要分布在160~240nm范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸約 210nm;室溫硬度和抗彎強度分別為92HRA和4310MPa。實施例5
一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的制備方法包括如下步驟 步驟一碳化鉤基硬質(zhì)合金粉末的成分設(shè)計
將WC、 Ni、 Al、 Fe、 Cr、 Zr和B粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比
WC: 92.00%
Ni: 5.56%
Al: 0.84%
Fe: 0.85%
Cr: 0.66%
Zr: 0.07%
B: 0.02%
含有不可避免的微量雜質(zhì)。
WC粉末純度^99.9%、粒度2 4nm; Ni、 AI、 Zr和Cr粉末純度^99.9%、 粒度l~3|nm; Fe粉末純度299.5%、粒度5 6|_im; B粉純度^99.0%、為無定
形的高純硼粉。
步驟二硬質(zhì)合金粉末的高能球磨制備 按步驟一所述碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末配比的用量，將粉末原料置于行星式球 磨機中進(jìn)行高能球磨，磨球材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10:1，球磨速 度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。球磨時間為60小時，此時 WC粉末晶粒已細(xì)化至約80nm。
步驟三放電等離子燒結(jié)球磨粉末
將25g硬質(zhì)合金球磨粉末，裝入直徑為O20mm的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行 放電等離子燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為1300'C，加熱速度為 100°C/min，保溫時間為10min，真空度為0.6Pa?？焖贌Y(jié)后獲得組織細(xì)小、 均勻的一種WC-增韌增強NbAl硬質(zhì)合金的超細(xì)晶塊體合金材料，其中含8% (質(zhì)量百分比含量)的增韌增強Ni3Al即Ni 69.50、 Al 10.50、 Fe 10.60、 Cr 8.20、 Zr 0.90、 B0.30 (質(zhì)量百分比含量)。燒結(jié)態(tài)碳化鎢合金的密度為14'2g/cm3; WC晶粒尺寸主要分布在160~250nm范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸約215nm;室溫 硬度和抗彎強度分別為92HRA和4220MPa。
權(quán)利要求
1、一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金，其特征在于該材料配比中以增韌增強Ni3Al金屬間化合物代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘結(jié)相鈷，其組分及其質(zhì)量百分比含量如下WC 89.00～94.00％，增韌增強Ni3Al 6.00～11.00％，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金，其特征在 于所述增韌增強Ni3Al組分及其質(zhì)量百分比含量為Ni 68.90 70.20%， Al 10.00~11.00% ， Fe 10.40 10.90% ， Cr 7.90 8.30% ， Zr 0.80~1.00% ， B 0.20~0.40%。
3、 權(quán)利要求1所述的一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金的制備方法，其 特征在于該方法包括如下步驟步驟一碳化鎢基硬質(zhì)合金粉末的的成分設(shè)計將WC、 Ni、 Al、 Fe、 Cr、 Zr和B粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比 WC 89.00~9楊％、 Ni 4.13~7.72%、 Al 0.60~1.21%、 Fe 0.63~1.20%、 Cr 0.48~0.91%、 Zr0.05~0.11%、 B 0.01~0.04%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；步驟二高能球磨按上述原料粉末質(zhì)量百分比用量投料進(jìn)行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸細(xì)化至小于200nm;步驟三放電等離子燒結(jié)球磨粉末將高能球磨后的硬質(zhì)合金粉末裝入放電等離子燒結(jié)模具，采用放電等離子快速燒結(jié)，燒結(jié)工藝條件如下 燒結(jié)電流類型直流脈沖電流燒結(jié)壓力30 50MPa 燒結(jié)加熱速率50 30(TC/min 燒結(jié)溫度1200~1500°C 燒結(jié)保溫時間l~20min 燒結(jié)真空度"Pa經(jīng)快速燒結(jié)獲得組織細(xì)小、均勻的一種WC-增韌增強Ni3Al硬質(zhì)合金材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及塑性成形技術(shù)及粉末冶金技術(shù)，具體是指一種WC-增韌增強Ni₃Al硬質(zhì)合金及其制備方法。該材料配比中以增韌增強Ni₃Al金屬間化合物代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘結(jié)相鈷，其組分及其質(zhì)量百分比含量如下WC 89.00～94.00％，增韌增強Ni₃Al 6.00～11.00％，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。該制備方法包括先按上述原料粉末配比投料進(jìn)行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸細(xì)化至小于200nm；再采用放電等離子快速燒結(jié)高能球磨后的硬質(zhì)合金粉末。本發(fā)明制備的碳化鎢硬質(zhì)合金，不僅綜合性能優(yōu)異，而且性價比高；本發(fā)明工藝簡便，且能充分發(fā)揮以增韌增強Ni₃Al為粘結(jié)相的碳化鎢硬質(zhì)合金的性能優(yōu)勢。
文檔編號C22C29/06GK101560623SQ20091003967
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者屈盛官, 李元元, 李小強, 超 楊, 肖章怡, 陳維平 申請人:華南理工大學(xué)