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一種新型wc基硬質(zhì)合金材料及其制備方法

文檔序號:3364677閱讀:305來源:國知局
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)
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