一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，是以納米碳化鎢（WC）粉、超細鈷（Co）粉、超細碳化釩（VC）粉和超細碳化鉻（Cr3C2）粉作為原料粉，利用酒精濕磨工藝，經真空燒結與熱等靜壓燒結，制備出WC-Co納米晶硬質合金，采用上述方法制備出的納米晶硬質合金，WC晶粒組織完善且清晰可見，采用ISO4499-2規定的方法測量計算200顆以上WC晶粒取平均值，計算得到WC平均晶粒小于150nm，硬度HV30為1900以上、強度TRS為4000MPa以上、金相組織為A02B00C00。具有工藝簡單，過程控制簡便，生產成本低，制備出的納米晶硬質合金致密化程度高，性能優異的特點。
【專利說明】—種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及硬質合金材料制造【技術領域】，特別是涉及一種高性能WC-C0納米晶硬質合金的制備方法。
【背景技術】
[0002]圍繞細化晶粒，制取超細及納米結構硬質合金的研究開發，是當今世界硬質合金【技術領域】中的一大熱點。目前實現批量生產的硬質合金最細晶粒為0.2μπι。
[0003]納米硬質合金制備過程中，采用高質量納米原料粉末是非常關鍵的環節。納米粉體的制備方法很多，理論上說，任何能制造精細晶粒尺寸多晶體的方法都可以用來制造納米粉體。實驗室通常采用機械合金化法、固定床反應法、噴霧干燥-流化床法等來制備納米WC粉或WC-Co復合粉末，但因為容易引入雜質、或工藝過于復雜、或受設備限制，可以工業化生產復合粉的只有噴霧干燥-流化床法，這種方法的缺陷是不能自由配Co，造成合金成分單一。
[0004]對納米硬質合金坯材來說，燒結工序將決定合金質量的優劣。由于納米原料粉末系統具有非常大的表面能，在傳統液相燒結過程中，為減少系統表面能，WC晶粒將迅速長大，因此許多學者研究了納米硬質合金的微波燒結、快速熱壓燒結、放電等離子燒結等燒結技術，目的是加快燒結速率，縮短燒結時間，降低燒結溫度，以控制WC晶粒的長大，但這將導致燒結過程不夠充分、合金晶粒發育不夠完善，無法實現工業應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，是以納米WC粉、超細Co`粉、VC粉和Cr3C2粉作為原料粉，利用酒精濕磨工藝，經真空燒結與熱等靜壓燒結，從而制備出晶粒度小于150納米的高性能納米晶硬質合金，具有工藝簡單，過程控制簡便，生產成本低，制備出的納米晶硬質合金致密化程度高，性能優異的特點。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，包括如下步驟:
[0007]Α.混合料制取步驟；該步驟是選用平均粒度小于400nm的WC粉、平均粒度小于1.5um的Co粉、平均粒度小于1.5um的VC粉和平均粒度小于1.5um的Cr3C2粉為原料，其中，Co粉占總原料的3wt%~30wt%，VC粉占總原料的Owt%~2.0wt%, Cr3C2粉占總原料的Owt%~2.0wt%,余量為WC粉；并外加石蠟做成形劑，且石蠟的添加量為所述總原料的
0.5wt%~3.5wt% ;然后，以無水酒精作介質在滾動式球磨機中進行濕磨，硬質合金研磨球與固體原料的球料比為2:1~10:1，無水酒精與固體原料的液固比為100~600mL/kg ;球磨30~120小時后進行真空干燥制備成混合料；
[0008]B.壓制步驟；將上一步驟制成的混合料壓制成壓坯；其中，壓制壓力為100~250MPa ；[0009]C.燒結步驟；將上一步驟制成的壓坯燒結成WC-Co納米晶硬質合金。
[0010]進一步的，所述混合料制取步驟還包括將混合料過80目篩網。
[0011]進一步的，在混合料過80目篩網后，還包括將混合料放入制粒機中滾動3~15分鐘進行制粒處理。
[0012]所述的壓制步驟是將上一步驟制備好的混合料壓制成圓棒形壓坯。
[0013]所述的燒結步驟是先將壓制好的壓坯進行真空燒結，燒結溫度控制在1000~1400°C，保溫時間控制在0.5~2小時，然后再進行熱等靜壓燒結，燒結溫度控制在1200~1400°C，保溫時間控制在0.5~2小時，燒結壓力控制在50~200MPa。
[0014]本發明的一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，是采用紫鎢原位還原法生產，以納米碳化鎢(WC)粉、超細鈷(Co)粉、超細碳化釩(VC)粉和超細碳化鉻(Cr3C2)粉作為原料粉，利用酒精濕磨工藝，經真空燒結與熱等靜壓燒結，制備出WC-Co納米晶硬質合金，采用上述方法制備出的納米晶硬質合金，WC晶粒組織完善且清晰可見，采用IS04499-2規定的方法測量計算200顆以上WC晶粒取平均值，計算得到WC平均晶粒小于150nm，硬度HV30為1900以上、強度TRS為4000MPa以上、金相組織為A02B00C00。
[0015]本發明的有益效果是，由于采用了以納米碳化鎢(WC)粉、超細鈷(Co)粉、超細碳化釩(VC)粉和超細碳化鉻(Cr3C2)粉作為原料粉，并利用酒精濕磨工藝，經真空燒結與熱等靜壓燒結，來制備出WC-Co納米晶硬質合金，與現有技術相比較，具有如下有益效果:
[0016]實驗室制備納米硬質合金方法基本為:采用機械合金法、熱化學合成法等制備納米WC或WC-Co復合粉，采用微波燒結、低溫熱壓燒結、放電等離子燒結等工藝實現合金致密化，但這種快速燒結往往難以實現真正的合金致密化，組織結構不佳，合金性能不高，不能實現工業化應用；
[0017]本發明方法制備納米晶硬質合金時，原料粉末均由工業化生產獲得，采用酒精石蠟濕磨、真空燒結與熱等靜壓燒結工藝，整個工藝技術路線緊湊、設備銜接緊密，易于實現工業化批量生產。制備的納米晶硬質合金致密化程度高，性能優異，WC晶粒組織完善、清晰可見，WC晶粒尺寸小于150納米。具有工藝簡單，過程控制簡便，生產成本低，制備出的納米晶硬質合金致密化程度高，性能優異的特點。
[0018]以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明；但本發明的一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法不局限于實施例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是實施例一本發明的WC粉的掃描電鏡照片；
[0020]圖2是實施例一本發明的Co粉的掃描電鏡照片；
[0021]圖3是實施例一本發明的納米晶硬質合金的掃描電鏡照片；
[0022]圖4是實施例二本發明的納米晶硬質合金的掃描電鏡照片；
[0023]圖5是實施例三本發明的納米晶硬質合金的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0024]實施例一，
[0025]參見圖1至圖3所示，本發明的一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，包括如下步驟:
[0026]A.混合料制取步驟:選用平均粒徑為70nm的WC (碳化鎢)粉(如圖1所示)，添加平均粒徑為0.Sum的Co (鈷)粉(如圖2所示)、平均粒徑I μ m的VC (碳化釩)粉和平均粒徑I μ m的Cr3C2 (碳化鉻)粉為原料，其中，Co粉占總原料的12wt%，VC粉占總原料的0.50wt%,Cr3C2粉總原料的0.5wt%，余量為納米WC粉，以上四種粉(WC粉、Co粉、VC粉和Cr3C2粉)構成總原料；外加石蠟做成形劑，且石蠟的添加量為上述總原料的2wt% ;然后，以無水酒精作介質在滾動式球磨機中進行濕磨混合,硬質合金研磨球與固體原料的球料比為4:1，無水酒精與固體原料的液固比為300mL/kg ;球磨60小時后進行真空干燥；過80目篩后,在制粒機中滾動3分鐘制備成混合料；
[0027]B.壓制步驟:將上一步驟中制備好的混合料壓制成圓棒形壓坯，其中壓制壓力為150MPa ；
[0028]C.燒結步驟:將壓制好的壓坯進行真空燒結，燒結溫度控制在1250°C，保溫時間控制在I小時，再進行熱等靜壓燒結，燒結溫度控制在1350°C，保溫時間控制在0.5小時，燒結壓力控制在150MPa。
[0029]采用上述方法制備出納米晶硬質合金，采用IS04499-2規定的方法測量計算得到WC平均晶粒131nm，見圖3，硬度HV30為2002、強度TRS為4172MPa、金相組織為A02B00C00。
[0030]實施例二，
[0031]參見圖4所示，本發明的一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，包括如下步驟:
[0032]A.混合料制取步驟:選用平均粒徑為IOOnm的WC粉，添加平均粒徑為0.8um的Co粉、平均粒徑I μ m的VC粉末和平均粒徑I μ m的Cr3C2粉為原料，其中，Co粉占總原料的13wt%, VC粉占總原料的1.3wt%, Cr3C2粉總原料的0.9wt%，其余為納米WC粉；外加石蠟做成形劑，且石蠟的添加量為上述總原料的2wt% ;然后，以無水酒精作介質在滾動式球磨機中進行濕磨混合，硬質合金研磨球與固體原料的球料比為5.5:1，無水酒精與固體原料的液固比為350mL/kg ;球磨80小時后進行真空干燥；過80目篩后，在制粒機中滾動3分鐘制備成混合料；
[0033]B.壓制步驟:將上一步驟中制備好的混合料壓制成圓棒形壓坯，其中壓制壓力為180MPa ；
[0034]C.燒結步驟:將壓制好的壓坯進行真空燒結，燒結溫度控制在1280°C，保溫時間控制在0.5小時，再進行熱等靜壓燒結，燒結溫度控制在1340°C，保溫時間控制在I小時，燒結壓力控制在150MPa。
[0035]采用上述方法制備出納米晶硬質合金，WC平均晶粒149nm，見圖4，硬度HV30為1920、強度 TRS 為 4015MPa、金相組織為 A02B00C00。
[0036]實施例三，
[0037]參見圖5所示，本發明的一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，包括如下步驟:
[0038]A.混合料制取步驟:選用平均粒徑為200nm的WC粉末，添加平均粒徑為0.6um的Co粉、平均粒徑I μ m的VC粉末和平均粒徑I μ m的Cr3C2粉末為原料，其中，Co粉占總原料的10wt%，VC粉占總原料的0.45wt%, Cr3C2粉末總原料的0.6wt%,其余為納米WC粉；外加石蠟做成形劑，且石蠟的添加量為上述總原料的2wt% ;然后，以無水酒精作介質在滾動式球磨機中進行濕磨混合，硬質合金研磨球與固體原料的球料比為7:1，無水酒精與固體原料的液固比為400mL/kg ;球磨100小時后進行真空干燥；過80目篩后,在制粒機中滾動8分鐘制備成混合料；
[0039] B.壓制步驟:將上一步驟中制備好的混合料壓制成圓棒形壓坯，其中壓制壓力為200MPa ；
[0040]C.燒結步驟:將壓制好的壓坯進行真空燒結，燒結溫度控制在1280°C，保溫時間控制在I小時，再進行熱等靜壓燒結，燒結溫度控制在1350°C，保溫時間控制在I小時，燒結壓力控制在120MPa。
[0041]采用上述方法制備出納米晶硬質合金，WC平均晶粒152nm，見圖5，硬度HV30為2058、強度 TRS 為 4018MPa、金相組織為 A02B00C00。
[0042]本發明的一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，是采用紫鎢原位還原法生產，以納米碳化鎢(WC)粉、超細鈷(Co)粉、超細碳化釩(VC)粉和超細碳化鉻(Cr3C2)粉作為原料粉，利用酒精濕磨工藝，經真空燒結與熱等靜壓燒結，制備出WC-Co納米晶硬質合金，采用上述方法制備出的納米晶硬質合金，WC晶粒組織完善且清晰可見，采用IS04499-2規定的方法測量計算200顆以上WC晶粒取平均值，計算得到WC平均晶粒小于150nm，硬度HV30為1900以上、強度TRS為4000MPa以上、金相組織為A02B00C00。
[0043]上述實施例僅用來進一步說明本發明的一種高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，但本發明并不局限于實施例，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發明技術方案的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種高性能WC-C0納米晶硬質合金的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: A.混合料制取步驟；該步驟是選用平均粒度小于400nm的WC粉、平均粒度小于1.5um的Co粉、平均粒度小于1.5um的VC粉和平均粒度小于1.5um的Cr3C2粉為原料，其中，Co粉占總原料的3wt%~30wt%, VC粉占總原料的Owt%~2.0wt%, Cr3C2粉占總原料的Owt%~2.0wt%,余量為WC粉；并外加石蠟做成形劑，且石蠟的添加量為所述總原料的0.5wt%~3.5wt% ;然后，以無水酒精作介質在滾動式球磨機中進行濕磨，硬質合金研磨球與固體原料的球料比為2:1~10:1，無水酒精與固體原料的液固比為100~600mL/kg ;球磨30~120小時后進行真空干燥制備成混合料； B.壓制步驟；將上一步驟制成的混合料壓制成壓坯；其中，壓制壓力為100~250MPa； C.燒結步驟；將上一步驟制成的壓坯燒結成WC-Co納米晶硬質合金。
2.根據權利要求1所述的高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，其特征在于:進一步的，所述混合料制取步驟還包括將混合料過80目篩網。
3.根據權利要求2所述的高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，其特征在于:進一步的，在混合料過80目篩網后，還包括將混合料放入制粒機中滾動3~15分鐘進行制粒處理。
4.根據權利要求1所述的高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，其特征在于:所述的壓制步驟是將上一步驟制備好的混合料壓制成圓棒形壓坯。
5.根據權利要求1所述的高性能WC-Co納米晶硬質合金的制備方法，其特征在于:所述的燒結步驟是先將壓制好`的壓坯進行真空燒結，燒結溫度控制在1000~1400°C，保溫時間控制在0.5~2小時，然后再進行熱等靜壓燒結，燒結溫度控制在1200~1400°C，保溫時間控制在0.5~2小時，燒結壓力控制在50~200MPa。
【文檔編號】C22C1/05GK103627942SQ201310090726
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年3月20日 優先權日:2013年3月20日
【發明者】吳沖滸, 謝海唯, 鄭愛欽, 肖滿斗, 項忠楠, 謝穎 申請人:廈門鎢業股份有限公司