一種碳化鎢包覆的復合硬質(zhì)合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳化鎢包覆的復合硬質(zhì)合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金材料應(yīng)用于制造業(yè)的加工工具，具有硬度高、良好的高溫性能和優(yōu)秀的耐磨性能，號稱工業(yè)的牙齒。做為金屬切削用合金隨著組分變化衍生出針對各種材質(zhì)牌號。
[0003]碳化鎢基硬質(zhì)合金由于其高強度、高硬度、高耐磨性和高紅硬性，被廣泛地用作切削刀具、礦山工具和耐磨零件等，從沖擊韌性和耐磨性綜合要求而言，低鈷粗晶粒合金結(jié)構(gòu)能滿足這種要求。
[0004]金屬陶瓷迄今為止已歷經(jīng)三代，第一代是“二戰(zhàn)”期間，德國以Ni粘結(jié)TiC生產(chǎn)金屬陶瓷；第二代是20世紀60年代美國福特汽車公司添加Mo到Ni粘結(jié)相中改善TiC和其他碳化物的潤濕性，從而提高材料的韌性；第三代金屬陶瓷則將氮化物引入合金的硬質(zhì)相，改單一相為復合相。又通過添加Co相和其他元素改善了粘結(jié)相。金屬陶瓷研制的另一個新方向是硼化物基金屬陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔點和優(yōu)良的導電性，耐腐蝕性，從而使硼化物基金屬陶瓷成為最有發(fā)展前途的金屬陶瓷。但是目前我國對金屬陶瓷在性能方面的改進仍不理想，現(xiàn)有金屬陶瓷的洛氏硬度和抗彎強度仍有待進一步提高。
[0005]Ti (C，N)基金屬陶瓷是一類以Ti (C，N)粉或TiC與TiN的混合粉為硬質(zhì)相主要原料，以Co、N1、Mo等金屬為粘接相原料，且通常還加入有WC、TaC、NbC、Mo2C、VC、Cr3C2等過渡族金屬碳化物為添加劑經(jīng)過粉碎、混合一模壓一燒結(jié)所形成的復合材料，主要用于制造切削工具。
[0006]與傳統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金相比，Ti (C，N)基金屬陶瓷具有如下優(yōu)點:高的紅硬性、高溫抗氧化性能好、高的熱導率。這些性能使得Ti (C，N)基金屬陶瓷更適于進行高速切削和對材料的精加工和半精加工。但是，與WC-Co硬質(zhì)合金相比，Ti (C，N)基金屬陶瓷較低的強韌性卻極大地限制了它作為刀具材料的應(yīng)用。
[0007]碳化鎢具有硬度好、性質(zhì)穩(wěn)定的特點，現(xiàn)在其應(yīng)用范圍也不斷擴大，從硬質(zhì)合金拓展到多個領(lǐng)域，作為耐磨材料和耐腐材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種讓強度高、韌性好、耐磨、熱沖擊性能好的碳化鎢包覆的復合硬質(zhì)合金材料及其制備方法。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種碳化鎢包覆的復合硬質(zhì)合金材料，該合金材料包括基體和碳化鎢包覆層，所述基體由下列重量份數(shù)的組分制得:
納米碳化鈦35-40份、納米氮化鈦5-15份、碳化鈮5-8份、碳化硅3_7份、鈷粉3_5份、氧化乾1-3份、碳化招1-3份、鈦粉1-5份。
[0010]本發(fā)明還提供上述一種碳化鎢包覆的復合硬質(zhì)合金材料的制備方法，包括下述步驟: (O制備貧碳合金粉末
將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鈮、碳化硅、鈷粉、氧化釔、碳化鋁、鈦粉，干式球磨混合均勻后，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末；
(2)制備預燒結(jié)基體
將上述貧碳合金粉末壓制成型，真空燒結(jié)，得到貧碳預燒結(jié)基體；
(3)滲碳處理
將預燒結(jié)基體置于氫氣氣氛中，在1420-1450°C進行滲碳處理60-100分鐘，得到滲碳后的基體；
(4)碳化鎢包覆處理
將滲碳后的基體粉碎后，放入球磨機中研磨，磨至平均粒徑為0.1-5 μ m，將粉料放入化學氣相沉積反應(yīng)室，抽真空至20-50Pa，預熱至500-700°C，以氟化鎢和甲烷為前驅(qū)體，通入氬氣，反應(yīng)室旋轉(zhuǎn)速率為30-60r/min，反應(yīng)時間15_60min，反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫，取出；
(5)將包覆后的粉體混合均勻后放入模具進行高溫煅燒，溫度1350-1450°C，時間l-3h，待冷卻至室溫，取出，即得到碳化鎢包覆的復合硬質(zhì)合金材料。
[0011]優(yōu)選的，所述鈷粉的粒度為1.5-3.5μπι ;所述鈦粉的粒度為1.8_3.5μπι ;所述氧化釔的粒度為1.0-3.0ym ;所述碳化鈮、碳化硅和碳化鋁的粒度為1.5-3.5 μ m。
[0012]優(yōu)選的，在步驟(4)中，甲烷和氟化鎢的氣體流量比為15-25:1。
[0013]優(yōu)選的,在步驟(I)中，納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鶴、碳化銀、碳化娃、鈷粉、氧化釔、碳化鋁、鈦粉，干式球磨混合均勻后，在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為900-1050 0C、時間為45-75分鐘；
還原反應(yīng)方程為:
Y203+3H2= 2Y+3H20。
[0014]優(yōu)選的，在步驟(2)中，將含有稀土的貧碳硬質(zhì)合金粉末在150_200MPa下壓制成形后，經(jīng)加壓燒結(jié)，得到貧碳預燒結(jié)基體，加壓燒結(jié)時，控制溫度為1430-1445°C、真空度為5Xl(T4-5Xl(T5Pa，壓力為 8_10MPa，時間為 5O-75Iiiiru
[0015]優(yōu)選的，在步驟(3)中，滲碳所用碳源選自致密結(jié)晶狀石墨、鱗片狀石墨、隱晶質(zhì)石墨中的至少一種。
[0016]優(yōu)選的，在步驟(2)壓制成型之前，將貧碳硬質(zhì)合金粉末進行濕磨，球磨介質(zhì)為酒精，所述酒精與貧碳硬質(zhì)合金粉末的原料液固比為400-600ml/Kg，球磨的球料比為4-6:1，濕磨完成后將料漿進行過濾，采用噴霧干燥器進行霧化干燥制粒。
[0017]優(yōu)選的,所述濕磨的球磨機轉(zhuǎn)速為50_100r/min,球磨時間為15_20h。
[0018]有益效果
(I)本發(fā)明由于在制備硬質(zhì)合金過程中添加了稀土氧化物，混合均勻后還原為稀土金屬。在預燒結(jié)過程中，稀土元素一方面可以固溶到Co相中，起到抑制晶粒長大的作用；另一方面，由于稀土元素相對于硬質(zhì)合金中其它元素更為活潑，易與合金中的氧、硫等雜質(zhì)結(jié)合，凈化晶界，消除缺陷。
[0019](2)滲碳過程中，稀土可以減緩Co相中TiC的溶解析出，進而大大減緩了 TiC晶粒的長大，這為制備高性能硬質(zhì)合金提供必要條件。滲碳過程中，添加稀土合金晶粒仍然較未添加合金更為細小，所以最后形成的合金表層晶粒較為細??；同時細小的晶粒促進了滲碳反應(yīng)的進行，更多的Co往硬質(zhì)合金內(nèi)部遷移，使得表層低Co、細小晶粒，進而提高了硬質(zhì)合金表層的硬度。通過控制滲碳時間就能實現(xiàn)對梯度層后的控制，這為制得優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)合金提供了必要條件，這也是現(xiàn)有技術(shù)很難達到的。同時由于梯度層厚度的增加，使得硬質(zhì)合金內(nèi)的缺碳相維持在一個合理水平，這就保證了硬質(zhì)合金的韌性。
[0020](3)預燒結(jié)過程中，AlN與TiCN結(jié)合面上生成TiAlN化合物，AlN與TiAlN化合物為一種高溫下穩(wěn)定的化合物，其具有有效隔絕硬質(zhì)相中T1、N、C原子向外的擴散的作用，從而有效抑制T1、N、C原子在粘接相中的溶解和析出，降低了碳氣化欽在粘接相中的溶解度，減少碳氮化鈦在粘接相中溶解析出再長大導致的N分解，增強碳氮化鈦的穩(wěn)定性，使碳氮化鈦晶粒得到細化，提高金屬陶瓷的硬度和強韌性。
[0021](4)在TiCN基金屬陶瓷中添加納米TiN可顯著提高金屬陶瓷綜合力學性能，主要原因在于:(I)納米TiN在粘接相中的溶解占位而降低了硬質(zhì)相在粘接相中的溶解度，由此使硬質(zhì)相的晶粒得到細化；(2)納米TiN顆粒對錯位起釘扎作用，增大了位錯運動的阻礙；
(3)納米TiN易在粘接相中溶解，其Ti對粘接相金屬起固溶強化作用。
[0022](5)碳化鎢包覆的提高硬質(zhì)合金的耐磨性能，還可以使得材料具有耐腐耐候性能，可以直接做為耐磨材料使用，或者粉碎至相應(yīng)粒度，作為耐磨填料使用
綜合上述優(yōu)點，本發(fā)明制備得到的碳化鎢包覆的復合硬質(zhì)合金材料硬度達到120-135HRA，材料抗彎曲強度達到2400MPa以上，材料的斷裂韌性達到13MPam1/2以上，拉伸強度達到1150以上。
【具體實施方式】
[0023]實施例1
本實施例的碳化鎢包覆的復合硬質(zhì)合金的基體材料由下列重量份數(shù)的組分制得:
納米碳化鈦35份、納米氮化鈦5份、碳化鈮5份、碳化硅3-7份、鈷粉3份、氧化釔I份、碳化鋁I份、鈦粉I份。所述鈷粉的粒度為1.5-3.5 μ m ;所述鈦粉的粒度為1.8-3.5 μ m ;所述氧化釔的粒度為1.0-3.0ym ;所述碳化鈮、碳化硅和碳化鋁的粒度為1.5-3.5 μ m。
[0024]將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鈮、碳化硅、鈷粉、氧化釔、碳化招、鈦粉，干式球磨混合均勻后，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末。在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為900°C、時間為45分鐘。
[0025]將貧碳硬質(zhì)合金粉末進行濕磨，球磨介質(zhì)為酒精，所述酒精與貧碳硬質(zhì)合金粉末的原料液固比為400ml/Kg,球磨的球料比為4:1。所述濕磨的球磨機轉(zhuǎn)速為50r/min,球磨時間為15h。濕磨完成后將料漿進行過濾，采用噴霧干燥器進行霧化干燥制粒。將干燥后的貧碳合金粉末在150MPa下壓制成形后，經(jīng)加