專利名稱：一種新型wc基硬質(zhì)合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型高性能WC基硬質(zhì)合金材料及其制備方法，屬于高技術(shù)結(jié)構(gòu) 陶瓷及其應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人類對資源需求的不斷增長，資源生產(chǎn)面臨著作業(yè)成本不斷上升以及必須解 決在愈加困難的巖層中開辟新的儲量等問題，苛刻的鉆探條件對鉆探機(jī)具的抵抗破裂和疲 勞斷裂的強(qiáng)度、韌性和耐磨性的要求越來越高，需要開發(fā)既具有高硬度又具有高強(qiáng)度的耐 磨材料以及新部件、新機(jī)具，適應(yīng)極端條件下的使用，要求低成本開發(fā)新型高硬度、高強(qiáng)度、 高韌性和高耐磨的材料。傳統(tǒng)WC-Co硬質(zhì)合金具有強(qiáng)度和硬度高、耐磨性好、紅硬性好、熱膨脹系數(shù)小、彈 性模量高以及化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)良性能；目前，在很多地質(zhì)、資源領(lǐng)域中，硬質(zhì)合金 鉆鑿機(jī)具得到了廣泛的應(yīng)用。但是，鈷是一種儲量有限的戰(zhàn)略資源且價格較高，傳統(tǒng)硬質(zhì)合 金使用了大量的貴重戰(zhàn)略資源Co，加劇了資源和環(huán)境的緊張局面，研究非Co硬質(zhì)合金是本 領(lǐng)域的一個重要方向，既具有重要經(jīng)濟(jì)價值，也具有戰(zhàn)略意義。由于金屬M(fèi)o、Ni等在自然界中豐度高，且具有比Co更好的化學(xué)穩(wěn)定性，以Mo、Ni 等金屬作為金屬粘結(jié)相所獲得的WC基硬質(zhì)合金除具有硬質(zhì)合金的常見優(yōu)點(diǎn)外，還可望具 有優(yōu)良的抗氧化性能和耐腐蝕性能。但是，在實(shí)際制備過程中，由于金屬M(fèi)o、Ni等的特殊晶 體結(jié)構(gòu)，它們在球磨過程中容易發(fā)生晶體的變形和團(tuán)聚，從而在燒結(jié)時形成微孔，造成產(chǎn)品 致密度差；必須采用合適的球磨工藝、燒結(jié)方法和燒結(jié)制度才能獲得高性能的WC-Mo(Ni) 硬質(zhì)合金材料。同時，與WC-Co硬質(zhì)合金相比，使用諸如Mo、Ni等做金屬粘結(jié)劑時，容易發(fā) 生WC晶粒的快速生長(瘋長)；必須通過合理選擇晶粒抑制劑的種類和添加比例，才能有 效抑制WC晶粒瘋長；從而提高材料的強(qiáng)度。和WC-Co硬質(zhì)合金一樣，WC和諸如Mo、Ni等金屬形成的硬質(zhì)合金也是由硬質(zhì)WC 相和強(qiáng)韌金屬相構(gòu)成的，金屬相含量增大材料強(qiáng)度和韌性增強(qiáng)卻硬度減??；反之，金屬相含 量減小材料硬度雖然增大，材料強(qiáng)度和韌性將減小。為了既能使所得硬質(zhì)合金具有較高的 強(qiáng)度和韌性(必須加入較多的金屬粘結(jié)劑)，同時具有較高的硬度，在硬質(zhì)合金中摻入一定 量的高硬材料如金剛石或立方氮化硼(c-BN)等是一種重要途徑。但是，金剛石在高溫?zé)Y(jié) 條件下容易發(fā)生氧化脫碳，如何保證其高溫穩(wěn)定性是重要課題。在WC-Co硬質(zhì)合金中，由于 Co在高溫下與c-BN的強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)，使用c-BN摻雜提高WC-Co硬質(zhì)合金的硬度十分困難， 而在金屬M(fèi)o、Ni等為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金中，由于Mo、Ni等和c-BN較低的化學(xué)反應(yīng)活性，使 得采用c-BN摻雜提高硬質(zhì)合金的硬度成為可能。但是，使用金剛石或c-BN做摻雜劑時，金 剛石或c-BN與基體材料的結(jié)合力比較弱；因此，提高金剛石或c-BN與基體材料的結(jié)合力 (即基體材料對金剛石或c-BN的把持力)是提高材料性能的關(guān)鍵所在，而通過在金剛石或 c-BN表面通過化學(xué)或物理的方式鍍一層金屬膜(如Mo或Ti或Ni等)是可能提高金剛石 或c-BN與基體結(jié)合力的有效方式。這種技術(shù)還有利于在提高材料硬度的同時，保持硬質(zhì)合金基質(zhì)的強(qiáng)度。對于材料強(qiáng)度和韌性的提高，現(xiàn)代高技術(shù)陶瓷工藝常常使用第二相增韌和晶須增 韌等方法，現(xiàn)代納米技術(shù)甚至制備得到了超高強(qiáng)度的碳納米線/管等超高強(qiáng)度增韌材料。 但是，在WC-Co硬質(zhì)合金基體中摻雜晶須(如SiC)或碳納米線/納米管等時，在高溫下由于 硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相金屬Co和高表面活性的納米結(jié)構(gòu)材料之間的存在強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)， 摻雜納米結(jié)構(gòu)材料后的實(shí)際增強(qiáng)增韌效果并不理想。如何在經(jīng)過高溫處理(燒結(jié))后讓納 米材料仍然保持其固有高強(qiáng)度特性是現(xiàn)代陶瓷技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。再就是，傳統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金可以采用熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等方法提高同 時提高材料的強(qiáng)度、韌性和硬度，但是在用熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等方法加工c-BN摻雜 硬質(zhì)合金過程中，c-BN容易發(fā)生從高硬度的立方相到低硬度的六方相的轉(zhuǎn)變，無法獲得 c-BN摻雜的高硬度硬質(zhì)合金材料。必須采用能量密度大、燒結(jié)時間短的現(xiàn)代新型燒結(jié)技術(shù)， 如放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)、中頻感應(yīng)加熱燒結(jié)技術(shù)等。SPS是一種快速燒結(jié)新方法，它 在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié)，利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生 的瞬時高溫場來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，其升溫、降溫速率快，保溫時間短，使燒結(jié)過程快速跳過表面擴(kuò) 散階段，減少了晶粒的生長時間，降低了燒結(jié)溫度，所得的燒結(jié)樣品晶粒均勻、致密度高、力 學(xué)性能好，為高性能c-BN摻雜硬質(zhì)合金的研制提供了十分有利的保障。同時，由于燒結(jié)快 速，所獲得硬質(zhì)合金中WC晶粒生長受到抑制，容易獲得納米晶或者亞微米晶體，有利于所 得硬質(zhì)合金材料的硬度和強(qiáng)度、韌性的同時提高。中頻感應(yīng)加熱的原理為電磁感應(yīng)，其熱量 在工件內(nèi)自身產(chǎn)生，由于該加熱方式升溫速度快，所以氧化脫炭極少，加熱效率高，工藝重 復(fù)性好；感應(yīng)加熱易實(shí)現(xiàn)加熱均勻，溫度控制精確，芯表溫差小；感應(yīng)加熱與其它加熱方式 相比，加熱效率高、能耗低、無污染。且通過選用自動上料和自動出料分檢裝置，自動化程度 高，可實(shí)現(xiàn)全自動操作。和SPS等燒結(jié)技術(shù)一樣，所得的燒結(jié)樣品晶粒均勻、致密度高、力學(xué) 性能好；且由于燒結(jié)快速，所獲得硬質(zhì)合金中WC晶粒生長受到抑制，容易獲得納米晶或者 亞微米晶體，有利于所得硬質(zhì)合金材料的硬度和強(qiáng)度、韌性的同時提高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種新型高性能WC基硬質(zhì)合金材料及其制備方法。用這種材料制作 的金屬陶瓷硬度高、強(qiáng)度高、韌性好，具有優(yōu)異的綜合耐磨性能。特別適合制作新型重載地 質(zhì)鉆探機(jī)具，也可以用作高硬材料的機(jī)加工刀具、高耐磨模具等。本發(fā)明提出的高性能硬質(zhì)合金材料配方，以WC為基質(zhì)，以高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的 金屬為粘結(jié)劑，并添加適量的晶粒抑制劑、高硬材料微粉增硬劑和納米結(jié)構(gòu)增韌劑。在上述配方中，所述基質(zhì)為WC亞微米粉或納米粉，粒徑D50小于0. 4 iim，質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為20 80%。在上述配方中，所述金屬粘結(jié)劑為高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬粉末，包括Mo、Ni 或者稀土金屬中的一種或者多種，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 20%。在上述配方中，所述晶粒抑制劑為TaC、VC、Cr3C2、NdC、TiC中一種或者多種，質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為0. 1 5.0%。在上述配方中，所述增硬劑為高硬材料金剛石、C-BN微粉或者其表面鍍制了 一層 高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni或者稀土金屬薄膜的微粉，粒徑5 1000 u m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)
4為10 80%。在上述配方中，所述增韌劑為納米結(jié)構(gòu)材料，包括碳納米管/線、SiC納米線/棒、 TiC納米線/棒以及其表面鍍制了一層高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni或者稀土金屬薄 膜的納米結(jié)構(gòu)材料中的一種或者多種，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5 15%。本發(fā)明提出的所述材料的相應(yīng)制備方法，其特征在于，所述制備方法依次包括“混 料一高能球磨一烘干一研磨過篩一壓制/裝料一燒結(jié)”工藝步驟。在上述制備方法中，在對所述WC基硬質(zhì)合金原料按比例稱量并進(jìn)行混料時，同時 外加0 10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的有機(jī)分散劑和粘接劑，以有利于漿料分散和樣品壓制過程中 成型。并且在混料過程中，將原料按照WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉、增硬劑、增韌劑 順序依次加入、分階段球磨。在上述制備方法中，所述高能球磨采用濕式球磨技術(shù)，其中溶劑為無水乙醇或者 溶劑汽油，磨球?yàn)楦哂材湍サ腤C球。所述高能球磨中混合粉末、磨球、溶劑的質(zhì)量比為 1 (2-20) (1-8)。所述高能球磨中，WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉混合粉料球磨 24 48小時后，再加入增硬劑球磨0. 5 2小時，最后加入增韌劑再球磨20 60分鐘。在上述制備方法中，所述烘干采用真空干燥，溫度控制在10 100°C，時間6 60 小時，真空度0 -0. 33Pa。在上述制備方法中，所述研磨、過篩后，復(fù)合陶瓷粉料晶粒小于0.2 ym，團(tuán)聚體小 于 0. 4mmo在上述制備方法中，所述壓制為將稱量好的原料放入鋼模具中干壓成型；所述裝 料指將稱量好的原料放入燒結(jié)模具中，壓緊，然后直接燒結(jié)成型。在上述制備方法中，所述燒結(jié)采用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)或者中頻感應(yīng)加熱燒結(jié) 技術(shù)。在放電等離子體燒結(jié)過程中，初壓為10 38MPa，升溫速率160 260°C /min，燒結(jié) 溫度800 1400°C，保溫時間2 15min，保溫壓力30 60MPa ；冷卻速率750°C以前與升 溫速率相同，750°C以后隨爐冷卻。而在中頻感應(yīng)加熱燒結(jié)過程中，初壓為10 38MPa，升 溫速率200 500°C /min，燒結(jié)溫度900 1500°C，保溫時間5 20min，保溫壓力30 60MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相同，750°C以后隨爐冷卻。本發(fā)明的有益效果如下(1)金剛石或c-BN與基體具有較好的結(jié)合力，所獲得硬度得到顯著提高，強(qiáng)度和 韌性得到保持。(2)由于晶粒抑制劑的作用和特殊燒結(jié)技術(shù)的采用，燒結(jié)時間短、快速，有效地抑 制了基質(zhì)WC晶粒的長大，有利于同時提高材料強(qiáng)度、韌性和硬度。(3)由于采用了納米結(jié)構(gòu)增韌劑，有效提高了硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和斷裂韌性。(4)所制造的新型WC基硬質(zhì)合金材料同時具有高的硬度、強(qiáng)度和韌性，材料綜合 耐磨性能大幅度提高，且材料抗氧化性和耐腐蝕性優(yōu)異，可望用于新型重載地質(zhì)鉆探機(jī)具， 也可用于高性能機(jī)加工切削刀具、模具。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的新型WC基硬質(zhì)合金斷口掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)；圖2是本發(fā)明實(shí)施例2所制備的新型WC基硬質(zhì)合金斷口掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例3所制備的新型WC基硬質(zhì)合金斷口掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)；圖4是本發(fā)明實(shí)施例4所制備的新型WC基硬質(zhì)合金斷口掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)；圖5是本發(fā)明實(shí)施例5所制備的新型WC基硬質(zhì)合金斷口掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)；圖6是本發(fā)明實(shí)施例6所制備的新型WC基硬質(zhì)合金斷口掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。本發(fā)明提出一種新型高性能WC基硬質(zhì)合金材料及其制備方法，其特征在于，所述 高性能硬質(zhì)合金材料配方，以WC為基質(zhì)，以高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni和稀土金屬 中的一種或者多種為粘結(jié)劑，以TaC、VC、Cr3C2、NdC、TiC中一種或者多種為晶粒抑制劑，以 高硬材料金剛石、立方氮化硼(c-BN)微粉或者表面鍍制了一層高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金 屬M(fèi)o、Ni或者稀土金屬薄膜的微粉為增硬劑，以為碳納米管/線、SiC納米線/棒、TiC納 米線/棒以及表面鍍制了一層高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni或者稀土金屬薄膜的納米 結(jié)構(gòu)材料中的一種或者多種為增韌劑。所述制備方法，包括如下工藝步驟和內(nèi)容1)稱量按照所述新型WC基硬質(zhì)合金設(shè)計的組成稱取原料，并外加0 10% (質(zhì) 量分?jǐn)?shù))的有機(jī)分散劑和粘接劑。2)混料將按比例稱取的原料WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉加入高能攪拌 球磨罐中，并按比例加入有機(jī)分散劑和粘接劑、WC磨球和無水乙醇溶劑，攪拌球磨24 48 小時。然后按比例加入增硬劑球磨0. 5 2小時，再加入增韌劑再球磨20 60分鐘。3)干燥在真空干燥箱中，將磨細(xì)混勻的漿料在10 100°C、真空度0 -0. 33Pa 下干燥6 60小時。4)研磨過篩將烘干的粉料進(jìn)行研磨，并選用合適孔徑的篩子進(jìn)行過篩。5)裝料將稱量好的原料放入燒結(jié)模具中，并壓緊。6)燒結(jié)在放電等離子體燒結(jié)爐中或者中頻感應(yīng)加熱燒結(jié)爐中按照預(yù)先設(shè)定的 燒結(jié)制度進(jìn)行燒結(jié)、成型。7)后處理經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工和拋光、修磨、裝備制備得到所需試驗(yàn)樣品或者機(jī)具。實(shí)施例1 本發(fā)明實(shí)施例的新型WC基硬質(zhì)合金的制造方法和工藝流程如下1)稱量；按質(zhì)量分?jǐn)?shù)79%的亞微米WC粉，7%的Mo粉，12%的表面鍍Mo金剛石 粉，1 %的NdC，1 %的鍍Mo的SiC納米晶須，以及外加的5%的有機(jī)分散劑和粘接劑稱取各 試齊11°2)混料將稱取的原料WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉以及有機(jī)分散劑和粘 接劑加入高能攪拌球磨罐中，并加入10倍質(zhì)量的WC磨球和5倍質(zhì)量的無水乙醇溶劑，攪拌 球磨48小時。然后加入所稱取的增硬劑球磨1小時，再加入增韌劑再球磨20分鐘。3)干燥在真空干燥箱中，將磨細(xì)混勻的漿料在40°C、真空度-0. 33Pa下干燥30 小時。4)研磨過篩將烘干的粉料用瑪瑙研缽研磨，并選用孔徑為1mm的篩子進(jìn)行過篩。
5)裝料將稱量好的原料放入0 20石墨燒結(jié)模具中，并用橡膠錘砸緊。6)燒結(jié)在放電等離子體燒結(jié)爐中燒結(jié)、成型。初壓為lOMPa，升溫速率180°C / min，燒結(jié)溫度850°C，保溫時間2min，保溫壓力40MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相 同，750°C以后采用爐冷。7)后處理經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工和拋光制備得到所需試驗(yàn)樣品。本實(shí)施例所制備的新型WC基硬質(zhì)合金平均硬度為2800HV (載荷500g，時間20s)， 晶粒大小均勻，強(qiáng)度2100MPa以上，斷裂韌性16. 5MPa m1/2以上。實(shí)施例2 本發(fā)明實(shí)施例的新型WC基硬質(zhì)合金的制造方法和工藝流程如下1)稱量；按質(zhì)量分?jǐn)?shù)79%的亞微米WC粉，7%的Ni粉，12%的表面鍍Ni金剛石 粉，的TaC粉，的鍍Ni的SiC納米晶須，以及外加的5%的有機(jī)分散劑和粘接劑稱取 各試劑。2)混料將稱取的原料WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉以及有機(jī)分散劑和粘 接劑加入高能攪拌球磨罐中，并加入10倍質(zhì)量的WC磨球和5倍質(zhì)量的無水乙醇溶劑，攪拌 球磨48小時。然后加入所稱取的增硬劑球磨1小時，再加入增韌劑再球磨20分鐘。3)干燥在真空干燥箱中，將磨細(xì)混勻的漿料在35°C、真空度-0. 33Pa下干燥40 小時。4)研磨過篩將烘干的粉料用瑪瑙研缽研磨，并選用孔徑為1mm的篩子進(jìn)行過篩。5)裝料將稱量好的原料放入0 20石墨燒結(jié)模具中，并用橡膠錘砸緊。6)燒結(jié)在放電等離子體燒結(jié)爐中燒結(jié)、成型。初壓為25MPa，升溫速率200°C / min，燒結(jié)溫度830°C，保溫時間3min，保溫壓力50MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相 同，750°C以后采用爐冷。7)后處理經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工和拋光制備得到所需試驗(yàn)樣品。本實(shí)施例所制備的新型WC基硬質(zhì)合金平均硬度為2700HV (載荷500g，時間20s)， 晶粒大小均勻，強(qiáng)度2200MPa以上，斷裂韌性17MPa m1/2以上。實(shí)施例3 本發(fā)明實(shí)施例的新型WC基硬質(zhì)合金的制造方法和工藝流程如下1)稱量；按質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%的亞微米WC粉，7%的Mo粉和1 %的Y(以Y計的Y203 粉)，15%的表面鍍Mo金剛石粉，1 %的VC，1 %的SiC納米晶須，以及外加的5%的有機(jī)分散 劑和粘接劑稱取各試劑。2)混料將稱取的原料WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉以及有機(jī)分散劑和粘 接劑加入高能攪拌球磨罐中，并加入10倍質(zhì)量的WC磨球和5倍質(zhì)量的無水乙醇溶劑，攪拌 球磨48小時。然后加入所稱取的增硬劑球磨1小時，再加入增韌劑再球磨20分鐘。3)干燥在真空干燥箱中，將磨細(xì)混勻的漿料在40°C、真空度-0. 33Pa下干燥40 小時。4)研磨過篩將烘干的粉料用瑪瑙研缽研磨，并選用孔徑為1mm的篩子進(jìn)行過篩。5)裝料將稱量好的原料放入0 20石墨燒結(jié)模具中，并用橡膠錘砸緊。6)燒結(jié)在中頻感應(yīng)加熱燒結(jié)過程中，初壓為lOMPa，升溫速率200°C/min，燒結(jié)溫 度850°C，保溫時間5min，保溫壓力50MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相同，750°C以后隨爐冷卻。7)后處理經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工和拋光制備得到所需試驗(yàn)樣品。本實(shí)施例所制備的新型WC基硬質(zhì)合金平均硬度為3200HV (載荷500g，時間20s)， 晶粒大小均勻，強(qiáng)度2000MPa以上，斷裂韌性16MPa m1/2以上。實(shí)施例4 本發(fā)明實(shí)施例的新型WC基硬質(zhì)合金的制造方法和工藝流程如下1)稱量；按質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%的亞微米WC粉，8%的Ni粉，15%的表面鍍Ni的c_BN 粉，1 %的NdC粉，1 %的鍍Ni的SiC納米晶須，以及外加的5%的有機(jī)分散劑和粘接劑稱取 各試劑。2)混料將稱取的原料WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉以及有機(jī)分散劑和粘 接劑加入高能攪拌球磨罐中，并加入10倍質(zhì)量的WC磨球和5倍質(zhì)量的無水乙醇溶劑，攪拌 球磨48小時。然后加入所稱取的增硬劑球磨0. 5小時，再加入增韌劑再球磨20分鐘。3)干燥在真空干燥箱中，將磨細(xì)混勻的漿料在30°C、真空度-0. 30Pa下干燥40 小時。4)研磨過篩將烘干的粉料用瑪瑙研缽研磨，并選用孔徑為1mm的篩子進(jìn)行過篩。5)裝料將稱量好的原料放入0 20石墨燒結(jié)模具中，并用橡膠錘砸緊。6)燒結(jié)在放電等離子體燒結(jié)爐中燒結(jié)、成型。初壓為lOMPa，升溫速率230°C / min，燒結(jié)溫度1200°C，保溫時間5min，保溫壓力35MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相 同，750°C以后采用爐冷。7)后處理經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工和拋光制備得到所需試驗(yàn)樣品。本實(shí)施例所制備的新型WC基硬質(zhì)合金平均硬度為2900HV (載荷500g，時間20s)， 晶粒大小均勻，強(qiáng)度2100MPa以上，斷裂韌性17MPa m1/2以上。實(shí)施例5 本發(fā)明實(shí)施例的新型WC基硬質(zhì)合金的制造方法和工藝流程如下1)稱量；按質(zhì)量分?jǐn)?shù)78%的亞微米WC粉，8%的Mo粉，12%的表面鍍Mo的c_BN 粉，1 %的VC，1 %的鍍Mo的SiC納米晶須，以及外加的5%的有機(jī)分散劑和粘接劑稱取各試 劑。2)混料將稱取的原料WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉以及有機(jī)分散劑和粘 接劑加入高能攪拌球磨罐中，并加入10倍質(zhì)量的WC磨球和5倍質(zhì)量的無水乙醇溶劑，攪拌 球磨48小時。然后加入所稱取的增硬劑球磨0. 5小時，再加入增韌劑再球磨20分鐘。3)干燥在真空干燥箱中，將磨細(xì)混勻的漿料在20°C、真空度-0. 33Pa下干燥45 小時。4)研磨過篩將烘干的粉料用瑪瑙研缽研磨，并選用孔徑為1mm的篩子進(jìn)行過篩。5)裝料將稱量好的原料放入0 20石墨燒結(jié)模具中，并用橡膠錘砸緊。6)燒結(jié)在放電等離子體燒結(jié)爐中燒結(jié)、成型。初壓為30MPa，升溫速率220°C / min，燒結(jié)溫度1300°C，保溫時間3min，保溫壓力50MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相 同，750°C以后采用爐冷。7)后處理經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工和拋光制備得到所需試驗(yàn)樣品。本實(shí)施例所制備的新型WC基硬質(zhì)合金平均硬度為2900HV (載荷500g，時間20s)，
8晶粒大小均勻，強(qiáng)度2300MPa以上，斷裂韌性18MPa m1/2以上。實(shí)施例6 本發(fā)明實(shí)施例的新型WC基硬質(zhì)合金的制造方法和工藝流程如下1)稱量；按質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的亞微米WC粉，7%的Mo粉和1 %的Y(以Y計的Y203 粉)，10%的表面鍍Mo的c-BN粉，1 %的VC，1 %的SiC納米晶須，以及外加的5%的有機(jī)分 散劑和粘接劑稱取各試劑。2)混料將稱取的原料WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉以及有機(jī)分散劑和粘 接劑加入高能攪拌球磨罐中，并加入10倍質(zhì)量的WC磨球和5倍質(zhì)量的無水乙醇溶劑，攪拌 球磨48小時。然后加入所稱取的增硬劑球磨0. 5小時，再加入增韌劑再球磨20分鐘。3)干燥在真空干燥箱中，將磨細(xì)混勻的漿料在40°C、真空度-0. 33Pa下干燥40 小時。4)研磨過篩將烘干的粉料用瑪瑙研缽研磨，并選用孔徑為1mm的篩子進(jìn)行過篩。5)裝料將稱量好的原料放入0 20石墨燒結(jié)模具中，并用橡膠錘砸緊。6)燒結(jié)在中頻感應(yīng)加熱燒結(jié)過程中，初壓為15MPa，升溫速率200°C/min，燒結(jié)溫 度1200°C，保溫時間5min，保溫壓力50MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相同，750°C以 后隨爐冷卻。7)后處理經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工和拋光制備得到所需試驗(yàn)樣品。本實(shí)施例所制備的新型WC基硬質(zhì)合金平均硬度為2700HV (載荷500g，時間20s)， 晶粒大小均勻，強(qiáng)度2100MPa以上，斷裂韌性16. 5MPa m1/2以上。
權(quán)利要求
一種高硬、高強(qiáng)、高韌的WC基硬質(zhì)合金材料，其特征在于，以WC為基質(zhì)，以高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬為粘結(jié)劑，并添加適量的晶粒抑制劑、高硬材料微粉增硬劑和納米結(jié)構(gòu)增韌劑。所述材料的組分包括20～80％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的亞微米/納米WC粉為基質(zhì)，2～20％的高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni和稀土中的一種或者多種為粘結(jié)劑，0.1～5.0％的晶粒TaC、VC、Cr3C2、NdC、TiC中一種或者多種為晶粒抑制劑，10～80％的高硬材料金剛石、c BN微粉或者其表面鍍制了一層高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni或者稀土金屬薄膜的微粉為增硬劑，和0.5～15％的碳納米管/線、SiC納米線/棒、TiC納米線/棒以及其表面鍍制了一層高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni或者稀土金屬薄膜的納米結(jié)構(gòu)材料中的一種或者多種為增韌劑。
2.按照權(quán)利要求1所述的WC基硬質(zhì)合金材料的制備方法，其特征在于，所述材料制 備方法依次包括“混料一高能球磨一烘干一研磨過篩一壓制/裝料一燒結(jié)”工藝步驟。所 述陶瓷粉料在進(jìn)行混料時，外加0 10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的有機(jī)分散劑和粘接劑，并將原料 按照WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉、增硬劑、增韌劑順序依次加入、分階段球磨；其中 WC粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉混合粉料高能球磨24 48小時后，再加入增硬劑球磨 0. 5 2小時，最后加入增韌劑再球磨20 60分鐘。所述烘干采用真空干燥，溫度控制在 10 100°C，時間6 60小時，真空度0 -0. 33Pa。所述燒結(jié)采用放電等離子體燒結(jié)技 術(shù)或者中頻感應(yīng)加熱燒結(jié)技術(shù)；其中在放電等離子體燒結(jié)過程中，初壓為10 38MPa，升 溫速率160 260°C /min，燒結(jié)溫度800 1400°C，保溫時間2 15min，保溫壓力30 60MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相同，750°C以后隨爐冷卻；而在中頻感應(yīng)加熱燒結(jié) 過程中，初壓為10 38MPa，升溫速率200 500°C /min，燒結(jié)溫度900 1500°C，保溫時 間5 20min，保溫壓力30 60MPa ；冷卻速率750°C以前與升溫速率相同，750°C以后隨爐 冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型高性能WC基硬質(zhì)合金材料及其制備方法，屬于高技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷及其應(yīng)用領(lǐng)域。所發(fā)明的高性能硬質(zhì)合金材料以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20～80％的亞微米/納米WC粉為基質(zhì)，以2～20％的高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni和稀土為粘結(jié)劑，并添加0.1～5.0％的晶粒抑制劑、10～80％的高硬材料金剛石或者立方氮化硼微粉為增硬劑和0.5～15％的SiC納米結(jié)構(gòu)等為增韌劑，并用快速燒結(jié)技術(shù)——放電等離子體燒結(jié)或者中頻感應(yīng)加熱燒結(jié)制備而成。燒結(jié)體晶粒細(xì)小，硬度、強(qiáng)度、韌性高，綜合耐磨性能好，特別適合制備重載條件下使用的地質(zhì)鉆探機(jī)具，也可制作高性能機(jī)加工切削刀具、模具等。
文檔編號C22C1/04GK101892411SQ201010247918
公開日2010年11月24日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者于翔, 付志強(qiáng), 劉寶林, 岳 文, 彭志堅, 楊甘生, 王成彪, 榮會永 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)