專利名稱：一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金及其制備方法，具體說是一種超 細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金及其制備方法。屬于高性能粉末冶金材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金因具有高硬度與高耐磨性，被廣泛用作切削刀具與模具材 料。通過降低合金中的WC晶粒尺寸至超細晶級(Ium 300nm)，碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的 強度與耐磨性能能得到明顯提高。但在傳統(tǒng)液相無壓燒結(jié)過程中，超細晶WC顆粒易于發(fā)生 異常長大現(xiàn)象。如何控制WC的長大成為制備超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的關(guān)鍵技術(shù)之一為了抑制WC顆粒的長大，可以采用特殊的燒結(jié)方法，如熱等靜壓、等離子燒結(jié)、微 波燒結(jié)等。通過外力與輔助外場等方法，來實現(xiàn)抑制WC顆粒的長大，但這些方法都存在著 生產(chǎn)工藝復雜及成本較高等缺點，無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。另外一種控制超細WC顆粒長大的 方法是通過添加晶粒抑制劑，如VC、NbC、Cr2C3等，但同樣存在著晶粒異常長大現(xiàn)象，而且WC 晶粒尺寸分布不均勻。目前尚沒有利用添加稀土六硼化物(ReB6)，來改善碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金晶粒異 常長大的公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有的超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的技術(shù)存在的不足 和缺陷，提出一種組分配比合理，生產(chǎn)工藝簡單，通過摻雜稀土六硼化物，有效降低合金中 WC晶粒尺寸和提高合金硬度與斷裂韌性的超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金及其制備方法。使 合金的性能超過現(xiàn)有的超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金。本發(fā)明一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金，由下述組分按重量百分組成ReB6 0.1 2%，Cr3C2 :0· 1 0. 6%，VC:0.1 0.4%，Co:5 15%;余量為WC，各組分之和為100%。本發(fā)明中，所述稀土六硼化物中，稀土元素選自鑭系稀土元素中的任意一種。本發(fā)明中，各組分的平均尺寸為碳化鎢粉彡0. 2um，鈷粉彡1. 5um，稀土六硼化物 粉彡5um，碳化鉻粉彡5um，碳化釩粉彡5um。。一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的制備方法，包括下述步驟第一步配料、制坯、脫脂按照合金成分，取WC、Co、VC、Cr3C2, ReB6粉末配料、同時添加成型劑，球磨混合均 勻；將球磨后的合金粉末在室溫下模壓成型坯料；將所得坯料在氫氣爐中脫脂，脫脂溫度為 400 600 °C ；第二步燒結(jié)將第一步所得的脫脂坯料置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400 1500°C，爐內(nèi)壓 力為IMPa 5MPa，燒結(jié)時間為1 4h。
本發(fā)明中，各組分的平均尺寸為碳化鎢粉彡0. 2um，鈷粉彡1. 5um，稀土六硼化物 粉彡5um，碳化鉻粉彡5um，碳化釩粉彡5um。本發(fā)明中，所述球磨工序，在氬氣或氮氣保護氣氛中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為250 500轉(zhuǎn)/分鐘；球磨后過-100目篩。 本發(fā)明中，所述成型劑為石蠟或聚乙二醇。本發(fā)明中，所述模壓成型壓力為200 400MPa。本發(fā)明中，所述燒結(jié)爐為真空低壓燒結(jié)爐。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在不改變傳統(tǒng)的超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金制備工藝 和設備的情況下，通過添加稀土六硼化物，使超細晶碳化鎢/鈷系復合粉末顆粒之間的粘 結(jié)性能提高，減小壓坯過程中粉末的摩擦力，最終來改善生坯的成型性能，進而提高燒結(jié)體 合金的致密度。同時在燒結(jié)過程中，稀土六硼化物發(fā)生分解，生成鎢鈷硼化合物及硼酸稀土 化合物，凈化碳化鎢顆粒晶界，降低碳化鎢在鈷中的溶解析出，最終使燒結(jié)合金中WC晶粒 的尺寸減小，從而得到綜合性能較為優(yōu)良的超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金。燒結(jié)體合金的 硬度HRA超過93，致密度超過95%，斷裂韌性Kie超過IOMPa -m1/2,WC晶粒尺寸低于400nm。本工藝的優(yōu)勢在于通過添加稀土六硼化物，并采用傳統(tǒng)的粉末冶金燒結(jié)工藝，獲 得晶粒細小分布均勻、高硬度高斷裂韌性的燒結(jié)產(chǎn)品。通過這一工藝制備超細晶碳化鎢/ 鈷系硬質(zhì)合金產(chǎn)品時，可獲得晶粒尺寸細小分布均勻，總體性能較高，可滿足實際工業(yè)生產(chǎn) 的要求。綜上所述，本發(fā)明組分配比合理，生產(chǎn)工藝簡單，通過摻雜稀土六硼化物，抑制燒 結(jié)體合金中碳化鎢晶粒的長大，有效降低合金中WC晶粒尺寸和提高合金硬度與斷裂韌性； 從而得到高硬度高斷裂韌性的超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式結(jié)合本發(fā)明的方法提供以下實例下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以下本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進 行實施，給出了詳細的實施方式和具體操作過程。對比例1制備成分為WC-IOCo(質(zhì)量分數(shù)，下同)的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金。所用原 料為0. 2um碳化鎢粉、Ium鈷粉。按照合金配比稱取原料粉末，同時添加石蠟成型劑，通過 氬氣保護，在球磨機上以250轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨48h后過-100目篩，然后在室溫下以 200MPa的壓力模壓成型。壓坯在400°C氫氣爐中脫脂。然后在高溫低壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒 結(jié)氣壓為5MPa，燒結(jié)溫度為1450°C，燒結(jié)時間為lh，所得的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金WC 平均晶粒尺寸為750nm，硬度為91HRA，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為92%，斷裂韌性 為 8. 5MPa · m1/2。實施例1
制備成分為WC-IOCo-ILaB6-O. 35Cr3C2_0. 25VC (質(zhì)量分數(shù)，下同)的超細晶碳化鎢 /鈷硬質(zhì)合金。所用原料為0. 15um碳化鎢粉、Ium鈷粉、2. 5um碳化釩粉、2. 5um碳化鉻粉、 3. 5um六硼化鑭粉。按照合金配比稱取原料粉末，添加聚乙二醇成型劑，通過氬氣保護，在 球磨機上以350轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨48h后過-100目篩，然后在室溫下以200MPa的壓力 模壓成型。壓坯在400°C氫氣爐中脫脂。然后在高溫低壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)氣壓為5MPa， 燒結(jié)溫度為1450°C，燒結(jié)時間為lh，所得的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金WC平均晶粒尺寸為 320nm，硬度為93. 5HRA，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為98%，斷裂韌性為15MPa · m1/20 實施例2制備成分為WC-lOCo-O. 5CeB6-0. ICr3C2-O. 4VC (質(zhì)量分數(shù)，下同)的超細晶碳化鎢 /鈷硬質(zhì)合金。所用原料為0. 2um碳化鎢粉、1. 5um鈷粉、5um碳化釩粉、5um碳化鉻粉、5um 六硼化鈰粉。按照合金配比稱取原料粉末，添加聚乙二醇成型劑，通過氬氣保護，在球磨機 上以250轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨48h后過-100目篩，然后在室溫下以300MPa的壓力模壓成 型。壓坯在600°C氫氣爐中脫脂。然后在高溫低壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)氣壓為IMPa，燒結(jié)溫 度為1500°C，燒結(jié)時間為4h，所得的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金WC平均晶粒尺寸為371nm， 硬度為93HRA，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為96%，斷裂韌性為13. 2MPa · m1/20實施例3制備成分為WC-5Co-2NdB6-0. BCr3C2-O. IVC (質(zhì)量分數(shù)，下同)的超細晶碳化鎢/ 鈷硬質(zhì)合金。所用原料為0. 2um碳化鎢粉、1. Oum鈷粉、3um碳化釩粉、3um碳化鉻粉、3. 5um 六硼化釹粉。按照合金配比稱取原料粉末，添加石蠟成型劑，通過氬氣保護，在球磨機上以 400轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨70h后過-100目蹄，然后在室溫下以400MPa的壓力模壓成型。壓 坯在500°C氫氣爐中脫脂。然后在高溫低壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)氣壓為2. 5MPa，燒結(jié)溫度為 1400°C，燒結(jié)時間為2. 5h，所得的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金WC平均晶粒尺寸為341nm，硬 度為93. 5HRA，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為97%，斷裂韌性為IOMPa · m1/20實施例4制備成分為WC-5CO-0. IPrB6-O. 4Cr3C2_0. 2VC (質(zhì)量分數(shù)，下同)的超細晶碳化鎢/ 鈷硬質(zhì)合金。所用原料為0. 2um碳化鎢粉、1. Oum鈷粉、3um碳化釩粉、3um碳化鉻粉、3. 5um 六硼化鐠粉。按照合金配比稱取原料粉末，添加聚乙二醇成型劑，通過氬氣保護，在球磨機 上以500轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨48h后過-100目篩，然后在室溫下以200MPa的壓力模壓成 型。壓坯在400°C氫氣爐中脫脂。然后在高溫低壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)氣壓為5MPa，燒結(jié)溫 度為1450°C，燒結(jié)時間為lh，所得的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金WC平均晶粒尺寸為343nm， 硬度為93. 5HRA，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為96%，斷裂韌性為12. 3MPa · m1/20實施例5制備成分為WC-15Co-lYbB6-0. 35Cr3C2_0. 25VC (質(zhì)量分數(shù)，下同)的超細晶碳化鎢 /鈷硬質(zhì)合金。所用原料為0. 2um碳化鎢粉、1. Oum鈷粉、3um碳化釩粉、3um碳化鉻粉、3. 5um 六硼化鐿粉。按照合金配比稱取原料粉末，添加聚乙二醇成型劑，通過氬氣保護，在球磨機 上以350轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨48h后過-100目篩，然后在室溫下以300MPa的壓力模壓成 型。壓坯在500°C氫氣爐中脫脂。然后在高溫低壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)氣壓為5MPa，燒結(jié)溫 度為1450°C，燒結(jié)時間為lh，所得的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金WC平均晶粒尺寸為340nm， 硬度為94HRA，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為97. 7%，斷裂韌性為14. 3MPa · m1/20
將上述實施例1-5制備的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金與對比例所制備的合金性能 進行比較，可知本發(fā)明方法制備的超細晶碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金中WC平均晶粒尺寸、硬度、 致密度、斷裂韌性等性能均比現(xiàn)有技術(shù)制備的碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金的相應性能好。
權(quán)利要求
一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金，由下述組分按重量百分組成ReB60.1～2％，Cr3C20.1～0.6％，VC0.1～0.4％，Co5～15％；余量為WC，各組分之和為100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金，其特征在于所述稀土 六硼化物中，稀土元素選自鑭系稀土元素中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金，其特征在于各組分 的平均尺寸為碳化鎢粉彡0. 2um，鈷粉彡1. 5um，稀土六硼化物粉彡5um，碳化鉻粉彡5um, 碳化釩粉彡5um。
4.制備如權(quán)利要求1所述一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的方法，包括下述步驟第一步配料、制坯、脫脂按照合金成分，取WC、Co、VC、Cr3C2, ReB6粉末配料、同時添加成型劑，球磨混合均勻； 將球磨后的合金粉末在室溫下模壓成型坯料；將所得坯料在氫氣爐中脫脂，脫脂溫度為 400 600 °C ；第二步燒結(jié)將第一步所得的脫脂坯料置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400 1500°C，爐內(nèi)壓力為 IMPa 5MPa，燒結(jié)時間為1 4h。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于 各組分的平均尺寸為碳化鎢粉彡0. 2um，鈷粉彡1. 5um，稀土六硼化物粉彡5um，碳化鉻粉 彡5um，碳化釩粉彡5um。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于 所述球磨工序，在氬氣或氮氣保護氣氛中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為250 500轉(zhuǎn)/分鐘；球磨后 過-100目篩。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于 所述模壓成型壓力為200 400MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于 所述成型劑為石蠟或聚乙二醇。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-8任意一項所述的一種超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金的制備方法， 其特征在于所述燒結(jié)爐為真空低壓燒結(jié)爐。
全文摘要
一種含稀土六硼化物的超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金及其制備方法，屬于高性能粉末冶金材料領(lǐng)域。所述材料的組分及其重量百分比如下稀土六硼化物含量在0.1～2％之間，碳化鉻在0.1～0.6％之間，碳化釩在0.1～0.4％之間，鈷粉在5～15％之間，其余為碳化鎢粉。按照各組元的重量百分比稱取一定粒度的碳化鎢粉、鈷粉、稀土六硼化物粉、碳化鉻粉以及碳化釩粉。采用球磨法將粉末混合均勻。通過模壓成型工藝壓制成具有一定形狀的生坯。將生坯經(jīng)過脫脂后放入高溫低壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，隨爐冷卻后得到超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金。本發(fā)明組分配比合理，生產(chǎn)工藝簡單，通過摻雜稀土六硼化物，抑制燒結(jié)體合金中碳化鎢晶粒的長大，有效降低合金中WC晶粒尺寸并提高合金硬度與斷裂韌性；得到高硬度高斷裂韌性的超細晶碳化鎢/鈷系硬質(zhì)合金，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C22C1/05GK101824575SQ20101018436
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者宋旼, 歐小琴, 王守仁, 申婷婷, 肖代紅, 賀躍輝 申請人:中南大學