本發(fā)明涉及一種高性能硬質(zhì)合金，屬于硬質(zhì)合金制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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硬質(zhì)合金是指由一種或多種難熔金屬的碳化物(WC、TiC等)作為硬質(zhì)相，用金屬粘結(jié)劑(Co、Fe、Ni等)作為粘結(jié)相，經(jīng)粉末冶金技術(shù)制造出來(lái)的材料。硬質(zhì)合金至20世紀(jì)30年代以來(lái)，被廣泛應(yīng)用于礦石工具、切削工具、醫(yī)用材料、耐磨零件、微型鉆頭等設(shè)備。隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)硬質(zhì)合金刀具材料要求其在高強(qiáng)度的同時(shí)擁有高韌性，即所謂的“雙高合金”。

研究表明，當(dāng)碳化鎢(WC)的顆粒尺寸減小到亞微米以下時(shí)，硬質(zhì)合金材料的硬度和耐磨性、強(qiáng)度和韌性均獲得了提高，因此超細(xì)甚至納米晶硬質(zhì)合金的開(kāi)發(fā)成為了競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)。

制備超細(xì)硬質(zhì)合金必須在燒結(jié)過(guò)程中嚴(yán)格控制碳化鎢晶粒的長(zhǎng)大。為了嚴(yán)格控制碳化鎢晶粒的長(zhǎng)大，通常采用的方法包括(1)采用微波、放電等離子等手段進(jìn)行快速燒結(jié)，但此類(lèi)方法對(duì)設(shè)備要求極高，投資巨大，工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)難度較高、成本高；(2)在原料(碳化鎢、鈷粉)的球磨混料過(guò)程中加入晶粒長(zhǎng)大抑制劑(VC、Cr₃C₂、TaC等)，通過(guò)球磨混料使VC等晶粒長(zhǎng)大抑制劑分散，在燒結(jié)的降溫過(guò)程中碳化鎢從粘結(jié)相中“溶解析出”，由于有VC等晶粒長(zhǎng)大抑制劑的存在，使得WC晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程得到抑制。但加入晶粒長(zhǎng)大抑制劑亦存在許多不可避免的缺點(diǎn)，比如在個(gè)別區(qū)域晶粒長(zhǎng)大抑制劑“貧乏”，導(dǎo)致這些區(qū)域的WC晶粒出現(xiàn)異常長(zhǎng)大，異常長(zhǎng)大的晶粒常常成為裂紋源、脆性源，將對(duì)整個(gè)硬質(zhì)合金制品性能帶來(lái)不利影響；同時(shí)晶粒長(zhǎng)大抑制劑加入量過(guò)多時(shí)，又將導(dǎo)致合金力學(xué)性能的損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高性能硬質(zhì)合金，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)難度較大、成本高、WC晶粒異常長(zhǎng)大、孔隙較多等技術(shù)難題。

本發(fā)明采取的技術(shù)解決方案是：一種高性能硬質(zhì)合金，以鈷基合金代替鈷作為粘結(jié)相，其中，鈷基合金組成為Co-Al-W，各組分的摩爾百分比如下：Co：78％-99％，Al：1％-10％，W：0.1％-12％。

所述的硬質(zhì)合金中，硬質(zhì)相占總硬質(zhì)合金的70wt％-95wt％，鈷基合金占總硬質(zhì)合金的5wt％-30wt％。

本發(fā)明所述高性能硬質(zhì)合金的制備方法，所述的硬質(zhì)合金是將上述鈷基合金與硬質(zhì)相經(jīng)球磨混合、干燥、壓制成型、真空高溫?zé)Y(jié)后制得。

所述的真空高溫?zé)Y(jié)是先加熱到1350℃-1450℃，保溫1h-4h，然后降溫到1200℃±50℃保溫2h-4h。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的有益效果：(1)本發(fā)明通過(guò)使用鈷基合金代替Co作為粘結(jié)相，從而降低了液相出現(xiàn)時(shí)的溫度，使得在較低溫度進(jìn)行燒結(jié)時(shí)能夠解決孔隙過(guò)多、粘結(jié)相分布不均等問(wèn)題，并且WC顆粒不容易長(zhǎng)大，從而得到晶粒度小、高硬度、高韌性的硬質(zhì)合金。(2)本發(fā)明所述的硬質(zhì)合金，WC顆粒大小D<300nm，硬度最高達(dá)到2100HV，燒結(jié)溫度降低50℃，使用壽命最高達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的2.1倍。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₂-Al₈-W₁₀)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷基合金占總原料的10wt％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1350℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為200nn，硬度為2100HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的2.1倍。

實(shí)施例2：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₉₉-Al₁-W_0.1)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷基合金占總原料的10wt％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1350℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為260nm，硬度為2000HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的1.4倍。

實(shí)施例3：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₇₈-Al₁₀-W₁₂)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷基合金占總原料的10wt％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1350℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為240nm，硬度為2030HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的1.5倍。

實(shí)施例4：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₉-Al₅-W₆)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷基合金占總原料的10wt％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1350℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為270nm，硬度為2020HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的1.8倍。

實(shí)施例5：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₄-Al₇-W₉)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷基合金占總原料的10wt％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1350℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為260nm，硬度為2080HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的1.9倍。

實(shí)施例6：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能YG10硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₉₃-Al₃-W₄)作為原料。其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷基合金占總原料的10wt％。球磨36小時(shí)，將上述混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1350℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為250nm，硬度為2020HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的1.6倍。

對(duì)比例1：以鈷作為粘結(jié)相的YG10硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷(純度99.9％，300目)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷占總原料的10wt％。球磨36小時(shí)，將上述混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：加熱到1400℃，保溫2h。所制得YG10硬質(zhì)合金WC顆粒大小為250nm，硬度為1500HV0.5。

各實(shí)施例與對(duì)比例成分及性能見(jiàn)于表1，其中切削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進(jìn)給量0.2mm/r，背吃刀量0.1mm，加工材料為鑄鐵(HT200)。

表1 各成分鈷基合金作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金成分與性能

注：切削壽命一欄數(shù)值均為對(duì)應(yīng)同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金(即對(duì)比例1)的壽命倍數(shù)。

由上表1可看出，采用鈷基合金作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金的WC顆粒大小明顯變小，硬度及切削壽命明顯提高，且鈷基合金成分為Co₈₂-Al₈-W₁₀時(shí)，硬質(zhì)合金性能 最好。

為更好體現(xiàn)出采用鈷基合金作為粘結(jié)相可降低硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度，本發(fā)明采用不同燒結(jié)工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得硬質(zhì)合金性能見(jiàn)于表2。硬質(zhì)合金采用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₂-Al₈-W₁₀)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷基合金占總原料的10wt％。其中切削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進(jìn)給量0.2mm/r，背吃刀量0.1mm，加工材料為鑄鐵(HT200)。

表2 不同燒結(jié)工藝下以鈷基合金作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金的性能

注：切削壽命一欄數(shù)值均為對(duì)應(yīng)同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金(即對(duì)比例1)的壽命倍數(shù)。

由表2可知，采用1350℃保溫2h，后降溫至1200℃保溫2h的燒結(jié)工藝最為合 理。

本發(fā)明所述鈷基合金亦可應(yīng)用于其它牌號(hào)硬質(zhì)合金，本發(fā)明采用上述最佳的鈷基合金成分(Co₈₂-Al₈-W₁₀)作為粘結(jié)相，制備其它牌號(hào)硬質(zhì)合金，具體實(shí)施例及對(duì)比例如下。

實(shí)施例7：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₂-Al₈-W₁₀)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的94wt％，鈷基合金占總原料的6wt％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1380℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為210nm，硬度為1800HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的2倍。

對(duì)比例2：以鈷作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷(純度99.9％，300目)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的94wt％，鈷占總原料的6wt％。球磨36小時(shí)，將上述混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：加熱到1430℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為400nm，硬度為1350HV0.5。

實(shí)施例8：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₂-Al₈-W₁₀)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的92wt％，鈷基合金占總原料的8wt％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1380℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為260nm，硬度為1750HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的1.9倍。

對(duì)比例3：以鈷作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷(純度99.9％，300目)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的92wt％，鈷占總原料的8wt％。球磨36小時(shí)，將上述混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒 結(jié)工藝如下：加熱到1430℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為420nm，硬度為1300HV0.5。

實(shí)施例9：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₂-Al₈-W₁₀)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的85wt％，鈷基合金占總原料的15wt％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1350℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為260nm，硬度為1540HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的2.1倍。

對(duì)比例4：以鈷作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷(純度99.9％，300目)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的85wt％，鈷占總原料的15wt％。球磨36小時(shí)，將上述混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：加熱到1400℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為410nm，硬度為1140HV0.5。

實(shí)施例10：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₂-Al₈-W₁₀)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷基合金占總原料的5wt％，碳化鈦占總原料的5％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1450℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為260nm，硬度為1840HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的2倍。

對(duì)比例5：以鈷作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷粉(純度99.9％，300目)及TiC粉末(純度99.9％，300目)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的90wt％，鈷占總原料的5wt％，碳化鈦占總原料的5％。球磨36小時(shí)，將上述混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：加熱到1500℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為460nm，硬度為1440HV0.5。

實(shí)施例11：以鈷基合金作為粘結(jié)相的高性能硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷基合金(Co₈₂-Al₈-W₁₀)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的80wt％，鈷基合金占總原料的5wt％，碳化鈦占總原料的15％。球磨36小時(shí)，將上述制備好的混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：首先加熱到1450℃，保溫2h，然后降溫到1200℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為250nm，硬度為2100HV0.5，使用壽命達(dá)到同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的2倍。

對(duì)比例6：以鈷作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金

選用碳化鎢粉末(純度99.9％，300目)添加鈷粉(純度99.9％，300目)及TiC粉末(純度99.9％，300目)作為原料，其中碳化鎢粉末占總原料的80wt％，鈷占總原料的5wt％，碳化鈦占總原料的15％。球磨36小時(shí)，將上述混合料壓制成壓坯，其中壓制壓力為100MPa。將壓制好的壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)工藝如下：加熱到1530℃保溫2h。所制得硬質(zhì)合金WC顆粒大小為450nm，硬度為1700HV0.5。

各實(shí)施例與對(duì)比例成分及性能見(jiàn)于表3，其中切削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進(jìn)給量0.2mm/r，背吃刀量0.1mm，加工材料為鑄鐵(HT200)。

表3 Co₈₂-Al₈-W₁₀作為粘結(jié)相時(shí)不同硬質(zhì)合金的性能

注：除實(shí)施例9與對(duì)比例4的使用壽命為軋輥壽命外，其余均為切削壽命。

使用壽命一欄數(shù)值均為對(duì)應(yīng)同成分標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金的壽命倍數(shù)。

由上表1-3可知，本發(fā)明所述鈷基合金適用于各牌號(hào)硬質(zhì)合金。