專利名稱：一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金及其制備方法
技術領域：
本發明屬于粉末冶金燒結成形領域，具體是指一種含微量鈷(Co)的無粘結相碳化鎢(WC)硬質合金及其制備方法。
背景技術：
傳統硬質合金是以難溶金屬硬質化合物為基體，以鈷、鎳、鐵等金屬為粘結相。粘結相除具有促進合金燒結全致密化的功能外，還賦予了合金韌性與強度，但也使其耐腐蝕性能、耐高溫性能、耐磨性能、熱導率等降低，因而使其應用領域受到一定限制。無金屬粘結相硬質合金，簡稱無粘結相硬質合金，屬于一類特殊的硬質合金，可分為兩大系列，一類為純WC系列和以難熔金屬碳化物固溶體為粘結相系列，另一類為某些文獻中提到的“無粘結相” WC硬質合金，指的是金屬粘結相質量分數彡I %。由于具有較傳統硬質合金更高的硬度、耐磨性與耐腐蝕性，通過精密拋光，其表面粗糙度可達< 15nm，無粘結相硬質合金可用作特種密封材料、高壓介質噴嘴材料、滑動材料、精密模具材料、高耐磨材料等。無粘結相WC硬質合金正成為高耐磨硬質合金的一個重要發展方向。然而，純WC的熔點高達2860°C，制備全致密化的無粘結相WC硬質合金的燒結溫度非常高，在燒結過程中容易發生WC晶粒的異常長大。在現有技術中，制備無粘結相WC硬質合金的研究主要集中在制備不添加任何粘結劑的純WC硬質合金和制備配碳的純WC硬質合金方面，制備過程存在如下問題1、燒結溫度過高，燒結時間較長，制備全致密化的純WC硬質合金的燒結溫度在1800°C以上；2、制備的合金存在WC晶粒異常長大的現象，無法制備出超細晶的無粘結相WC硬質合金；3、由于不含任何粘結劑，制備的合金強度和斷裂韌性非常低。迄今為止，尚未見采用放電等離子燒結制備添加微量Co的無粘結相WC硬質合金的報道。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足之處，提供一種具有優良綜合性能的含微量Co的無粘結相WC硬質合金。本發明的另一個目的還在于通過合理的成分設計和優化制備工藝相結合，提供一種能進一步改善材料的綜合性能、工藝簡便、燒結溫度低、燒結時間短的含微量Co的無粘結相WC硬質合金的制備方法。本發明的目的可以通過如下措施來實現—種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金，其特征在于該合金的組分及其質量百分比含量如下Co 0. 20-1. 00%, Cr3C2 :0. 01-0. 50%, VC :0. 01-0. 50%，余量為晶粒尺寸0. 2-0. 8 u m W。一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金的制備方法，其特征在于該方法采用放電等離子燒結技術，具體包括如下步驟及其工藝條件步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計將原料碳化鎢、鈷、碳化鉻和碳化釩粉末按下述質量百分比用量進行配比Co 0. 20-1. 00%, Cr3C2 0. 01-0. 50%, VC :0. 01-0. 50%，余量為晶粒尺寸 0. 2-0. 8 u m WC ；步驟二 高能球磨按上述原料粉末質量百分比用量投料進行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸細化至小于200nm ；步驟三放電等離子燒結球磨粉末將高能球磨后的硬質合金粉末裝入放電等離子燒結模具，采用放電等離子快速燒結，燒結工藝條件如下燒結壓力30 5OMPa燒結加熱速率100 200°C /min 燒結溫度1500 1700°C燒結保溫時間1 5min燒結真空度彡6Pa經快速燒結獲得一種組織細小、均勻的含微量鈷的超細晶無粘結相碳化鎢硬質合金。本發明與現有技術相比，具有以下優點I、本發明碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計合理，又由于添加微量Co，大大降低了燒結溫度，顯著地加速了燒結致密化進程，縮短了燒結時間，整個燒結過程可短到只有幾分鐘；并且降低制備全致密化無粘結相WC硬質合金的燒結溫度，從而大大節約了能源，在節約能源，提高生產效率方面有極為重要的意義。2、制備過程中無需壓制成型，不添加任何燒結助劑，簡化了工藝流程。3、本發明燒結過程中，部分WC顆粒間存在液相Co膜，加強了顆粒間的連接強度，提高了合金的韌性，能夠獲得具有優異綜合性能的超細晶的無粘結相WC硬質合金。4、本發明粉末均勻發熱，升溫、降溫速度快，燒結溫度低、時間短，可以抑制晶粒長大，燒結后的塊體晶粒尺寸細小均勻。具體實施形式通過如下實施例對本發明作進一步說明，但本發明的實施方式不僅限于此。實施例I一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金的制備方法，該方法采用放電等離子燒結技術，具體包括如下步驟及其工藝條件步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計將WC、Co、Cr3C2, VC粉末按下述質量百分比用量進行配比晶粒尺寸為0. 2 ii m的WC 98. 70% ；Co 0. 50%, Cr3C2 :0. 50%, VC :0. 30% ；步驟二 高能球磨按步驟一所述碳化鎢基硬質合金粉末配比的粉末原料置于行星式球磨機中進行高能球磨，球磨罐和磨球材質采用WC硬質合金，球磨介質為乙醇，球料比為5 I，球磨速度為200r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨40小時后WC粉末晶粒平均尺寸已細化至約150nm ；步驟三放電等離子燒結球磨粉末取高能球磨后的硬質合金球磨粉末30g裝入直徑為0 20mm的石墨燒結模具中進行放電等離子燒結，其中燒結壓力為50MPa，燒結溫度為1500°C，燒結加熱速率為200°C /min，燒結保溫時間為5min，燒結真空度為6Pa。快速燒結后獲得一種組織細小、均勻、WC平均晶粒尺寸約350nm的含微量鈷的超細晶無粘結相碳化鎢硬質合金塊體材料，該樣品的相對密度達到98. 67%，硬度為2368HV1(I，抗彎強度為985MPa，斷裂韌性為7. 54MPa m1/2。實施例2
一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金的制備方法，該方法采用放電等離子燒結技術，具體包括如下步驟及其工藝條件步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計將WC、Co、Cr3C2, VC粉末按下述質量百分比用量進行配比晶粒尺寸為0. 2 ii m的WC 98. 69% ；Co 0. 80%, Cr3C2 :0. 01%, VC :0. 50% ；步驟二 高能球磨按步驟一所述碳化鎢基硬質合金粉末配比的用量，將粉末原料置于行星式球磨機中進行高能球磨，球磨罐和磨球材質采用WC硬質合金，球磨介質為乙醇，球料比為5 1，球磨速度為200r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨40小時后WC粉末晶粒平均尺寸已細化至約150nm ；步驟三放電等離子燒結球磨粉末取高能球磨后的硬質合金球磨粉末30g，裝入直徑為0 20mm的石墨燒結模具中進行放電等離子燒結，其中燒結壓力為50MPa，燒結溫度為1500°C，燒結加熱速率為200°C /min，燒結保溫時間為5min，燒結真空度為5Pa。快速燒結后獲得一種組織細小、均勻、WC平均晶粒尺寸約380nm的含微量鈷的超細晶無粘結相碳化鎢硬質合金塊體材料，該樣品的相對密度達到99. 41%，硬度為2546HV1(I，抗彎強度為1146MPa，斷裂韌性為8. OlMPa m1/2。實施例3一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金的制備方法，該方法采用放電等離子燒結技術，具體包括如下步驟及其工藝條件步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計將WC、Co、Cr3C2、VC粉末按下述質量百分比用量進行配比晶粒尺寸為0. 4 ii m的WC 99. 00% ；Co 0. 20%, Cr3C2 :0. 50%, VC :0. 30% ；步驟二 高能球磨按步驟一所述碳化鎢基硬質合金粉末配比的用量，將粉末原料置于行星式球磨機中進行高能球磨，球磨罐和磨球材質采用WC硬質合金，球磨介質為乙醇，球料比為5 1，球磨速度為200r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨50小時后WC粉末晶粒平均尺寸已細化至約170nm ；步驟三放電等離子燒結球磨粉末取高能球磨后的硬質合金球磨粉末30g，裝入直徑為0 20mm的石墨燒結模具中進行放電等離子燒結，其中燒結壓力為40MPa，燒結溫度為1700°C，燒結加熱速率為150°C /min，燒結保溫時間為lmin，燒結真空度為4Pa。快速燒結后獲得一種組織細小、均勻、WC平均晶粒尺寸約410nm的含微量鈷的超細晶無粘結相碳化鎢硬質合金塊體材料，該樣品的相對密度達到99. 53%，硬度為2605HV1(I，抗彎強度為1027MPa，斷裂韌性為7. 83MPa m1/2。實施例4
一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金的制備方法，該方法采用放電等離子燒結技術，具體包括如下步驟及其工藝條件步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計將WC、Co、Cr3C2, VC粉末按下述質量百分比用量進行配比晶粒尺寸為0. 8 ii m的WC 98. 69% ；Co 1. 00%, Cr3C2 0. 30%, VC 0. 01% ；步驟二 高能球磨按步驟一所述碳化鎢基硬質合金粉末配比的用量，將粉末原料置于行星式球磨機中進行高能球磨，球磨罐和磨球材質采用WC硬質合金，球磨介質為乙醇，球料比為5 1，球 磨速度為200r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨60小時后WC粉末晶粒平均尺寸已細化至約180nm ；步驟三放電等離子燒結球磨粉末取高能球磨后的硬質合金球磨粉末30g，裝入直徑為0 20mm的石墨燒結模具中進行放電等離子燒結，其中燒結壓力為30MPa，燒結溫度為1550°C，加熱速率為100°C /min,保溫時間為3min，真空度為6Pa。快速燒結后獲得一種組織細小、均勻、WC平均晶粒尺寸約400nm的含微量鈷的超細晶無粘結相碳化鎢硬質合金塊體材料，該樣品的相對密度達到99. 92%，硬度為251 IHVltl，抗彎強度為1225MPa，斷裂韌性為8. 22MPa m1/2。
權利要求
1.一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金，其特征在于該合金的組分及其質量百分比含量如下Co 0. 20-1. 00%, Cr3C2 :0. 01-0. 50 %, VC :0. 01-0. 50%，余量為晶粒尺寸O. 2-0. 8 μ m W。
2.一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金的制備方法，其特征在于該方法采用放電等離子燒結技術，具體包括如下步驟及其工藝條件 步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計 將原料碳化鎢、鈷、碳化鉻和碳化釩粉末按下述質量百分比用量進行配比Co O. 20-1. 00%, Cr3C2 :0. 01-0. 50%, VC :0. 01-0. 50%，余量為晶粒尺寸 O. 2-0. 8 μ m WC ； 步驟二 高能球磨 按上述原料粉末質量百分比用量投料進行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸細化至小于200nm ； 步驟三放電等離子燒結球磨粉末 將高能球磨后的硬質合金粉末裝入放電等離子燒結模具，采用放電等離子快速燒結，燒結工藝條件如下 燒結壓力30 5OMPa 燒結加熱速率100 200°C /min 燒結溫度1500 1700°C 燒結保溫時間1 5min 燒結真空度<6Pa 經快速燒結獲得一種組織細小、均勻的含微量鈷的超細晶無粘結相碳化鎢硬質合金。
全文摘要
本發明屬于粉末冶金燒結成形領域，具體是指一種含微量鈷的無粘結相碳化鎢硬質合金及其制備方法。硬質合金的組分及其質量百分比含量如下Co0.20-1.00％，Cr3C20.01-0.50％，VC0.01-0.50％，余量為晶粒尺寸0.2-0.8μmWC。該制備方法包括先按上述原料粉末配比投料進行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸細化至小于200nm；再采用放電等離子快速燒結高能球磨后的硬質合金粉末。本發明碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計合理，制備方法簡單；粉末發熱均勻，升溫、降溫速度快，燒結溫度低、時間短，大大節約了能源；獲得的無粘結相超細晶WC硬質合金具有優異綜合性能。
文檔編號C22C29/08GK102628138SQ20121008295
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者張文, 李元元, 李小峰, 林小為, 肖志瑜 申請人:華南理工大學