一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法，具體涉及一種通過添加一定 比例的超細WC粉末快速制備超粗晶梯度硬質合金的方法，屬于硬質合金材料制造領域。
【背景技術】
[0002] 超粗晶硬質合金具有高強度、耐磨損、耐腐蝕、高熱穩定性等優點，在礦山鉆探、橋 梁隧道施工等方面都有著重要的作用。然而相比細晶硬質合金，超粗晶硬質合金硬度和強 度較低，這進一步限制了其使用。所以研究粗晶梯度硬質合金以提高其綜合性能。本研究組 公布的專利CN102031435A公開了一種通過滲碳獲取表層Co含量呈梯度變化的硬質合金制 備工藝，通過將脫碳合金在氫氣氣氛下進行滲碳處理，即得到梯度硬質合金。梯度結構硬質 合金由于其非均勻結構，表現出與常規均質硬質合金不同的力學性能。特別是其三明治結 構，能夠同時提高材料表面硬度和內部韌性，因而在力學性能和使用壽命方面更具有優勢。 現有制備梯度結構硬質合金的方法主要有滲碳燒結法和脫碳燒結法，但現有滲碳燒結應為 制備周期長，到至其生產成本高不以利于產業化應用。然而在探索制備超粗晶梯度硬質合 金過程中，發現該方法的滲碳速率和Co的迀移速率還有待進一步的提升。
【發明內容】
[0003] 發明人在CN102031435A的基礎上，作進一步的研究時，發現了通過采用一定質量 百分比的細WC粉，能快速的實現滲碳以及Co的擴散。基于此本發明針對現有制備超粗晶 粒梯度硬質合金的不足，提供一種通過添加一定比例超細WC粉末快速制備超粗晶梯度硬 質合金的方法。
[0004] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；包括下述步驟：
[0005] 步驟一
[0006] 按設計組分配取貧碳硬質合金粉末；然后混合均勻，壓制成形，燒結，得到貧碳預 燒結基體；所述貧碳硬質合金粉末以質量百分比計包括：
[0007] 粗WC粉60~86% ;優選為65~80% ;;進一步優選為70~76% ;
[0008] 細WC粉4~20% ;優選為8~18% ;進一步優選為10~18% ;
[0009] Co 粉 4. 6-12% ;優選為 4. 6-10% ;進一步優選為 6-8% ;
[0010] W粉3-10% ;優選為4-8% ;進一步優選為4-6% ;
[0011] 步驟二
[0012] 將步驟一所得貧碳預燒結基體置于氫氣氣氛中，在1430~1460°C進行滲碳處理 60~150分鐘，優選為60-150分鐘，進一步優選為90-120分鐘，得到超粗晶梯度硬質合金。
[0013] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；所述粗WC粉的粒度為6.0~ 12. 0 μ m ;所述細WC粉的粒度為0· 1~0· 8 μ m〇
[0014] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；所述細WC粉的粒度優選為0. 4~ 0· 8 μ m.進一步優選為0· 6~0· 8 μ m〇
[0015] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；所述Co粉的粒度為I. 5-3. 0 μ m ; 所述W粉的粒度為1. 8-3. 2 μ m。
[0016] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；所述混合均勻采用球磨的方式混 合均勻。
[0017] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；
[0018] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；球磨的條件為：轉速40-160轉/ min、球料質量比為3-6:1、球磨時間為12-24h、固液質量比為3-5:1。
[0019] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；所述貧碳硬質合金粉末可通過通 過下述優選方案制備：首先將按配取的粗WC粉、細WC粉加入酒精濕磨6-10小時，然后加入 配取的Co粉、W粉繼續濕磨20-28小時；得到含有貧碳硬質合金粉末；所述球磨的條件為： 球料質量比為3-6:1 ;固液質量比為3-5:1、球磨轉速為40-160轉/min。
[0020] 為了進一步保證成品的性能，在壓制成形前，可將不同粒度的WC粉末及Co粉、 W粉、粘接劑通過球磨混合均勻；所需粘接劑為硬質合金制備時常用的粘接劑，優選為石 蠟，粘接劑的用量為WC粉末、Co粉、W粉總質量的2%。因此在壓制成形后需先進行脫蠟 處理，再進行加壓燒結；所述脫蠟處理的條件為：在真空脫脂爐中，加熱到170-190°C保溫 30-50min，然后升溫至410-430°C，并保溫20-50min。脫蠟的目的主要是為了去除成形時所 引入的粘接劑。
[0021] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；球磨完成后，干燥，造粒，得到粒 度為60-120 μ m的貧碳硬質合金粉末。
[0022] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；壓制成形的成形壓力為 100-300MPa〇
[0023] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；加壓燒結時，控制溫度為1440~ 1460°C、真空度為 5X 10 3-2X 10 4Pa，壓力為 3-6MPa，時間為 40-90min。
[0024] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；滲碳溫度為1430~1460°C，滲碳 時間為30~150min，氫氣流量為4~6L/min，冷卻方式為隨爐冷卻。
[0025] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；滲碳所用碳源選自致密結晶狀石 墨、鱗片狀石墨、隱晶質石墨中的至少一種。
[0026] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；所制備的梯度硬質合金中梯度層 厚度為400~2000 μ m。
[0027] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；滲碳所用碳源選自致密結晶狀石 墨、鱗片狀石墨、隱晶質石墨中的至少一種，優選為固體鱗片狀石墨。
[0028] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；當滲碳溫度為1450Γ時，經 30min滲碳后，添加6~24%超細WC粉末的合金所得梯度層的厚度可達600~700 μ m ;而 未添加超細WC粉末的超粗晶硬質合金所得梯度層僅為320 μ m。
[0029] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；經90min滲碳后，添加20wt. % 超細WC粉末的合金梯度層的厚度可達1633 μm，而未加超細WC粉末所得梯度層僅為 1032 μπι;從這里可以看出本發明梯度層在90min內的梯度層厚度是同等條件下未加超細 WC粉末合金的1.5倍以上。
[0030] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；所得梯度層的厚度是可控的，通 過添加超細WC的比例以及控制滲碳溫度和滲碳時間可以得到厚度為500~2000 μ m的梯 度層。
[0031] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；，所得硬質合金的表面硬度大于 等于89HRA。
[0032] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；所得硬質合金的橫向斷裂強度大 于等于1600MPa ;最高可達2400MPa。
[0033] 本發明一種快速制備粗晶梯度硬質合金的方法；制得梯度硬質合金后，檢測梯度 合金厚度；其檢測梯度合金厚度方法為：
[0034] 首先將合金表面磨平、拋光，在掃描電子顯微鏡（SEM)下米取BSE模式，低倍下觀 察合金表面梯度層厚度，SEM照片在Image Pro Plus軟件下計算其梯度層厚度，取平均值。
[0035] 有益效果
[0036] 本發明通過嚴格控制細WC粉的用量(6-24% )和粒度，通過適量的細WC粉、粗WC 粉、Co粉、W粉以及滲碳條件的協同作用，得到了性能優越的超粗晶梯度硬質合金。其滲碳 速度在同等條件下，遠遠超過了現有技術。其原因可能在于：
[0037] -定比例的超細WC粉末的添加在預燒結和滲碳過程均提高了其擴散系數，促進 了 WC在Co中的溶解析出反應。
[0038] -定比例的超細WC粉末的添加能降低了合金中WC的平均晶粒，這不僅能提高梯 度合金的硬度，而且還有利于滲碳過程中提供了更多的擴散通道進而有利于碳的擴散，從 而大大縮短了滲碳的時間。
【附圖說明】
[0039] 圖1是實施例1的90min滲碳硬質合金低倍BSE照片；
[0040] 圖2是實施例1的90min滲碳硬質合金高倍外層晶粒照片；
[0041] 圖3是實施例1的90min滲碳硬質合金高倍中間層晶粒照片；
[0042] 圖4是實施例1的90min滲碳硬質合金高倍內層晶粒照片。
[0043] 圖5是對比例1的90min滲碳硬質合金高倍外層晶粒照片；
[0044] 圖6是對比例1的90min滲碳硬質合金高倍中間層晶粒照片；
[0045] 圖7是對比例1的90min滲碳硬質合金高倍內層晶粒照片。
[0046] 從圖1中可以看出硬質合金經過滲碳后呈現明顯的三層結構，這是由不同的Co含 量分布而引起的。
[0047] 從圖2中可以看出合金外層含有少量的黑色相Co,白色相WC有一定的晶粒長大。
[0048] 從圖3中可以看出合金中間層黑色Co相明顯較多，WC晶粒較外層較小。
[0049] 從圖4中可以看出合金內層含量灰色缺碳相，說明內部沒有發生滲碳反應，內部 晶粒也較外層更為細小。
[0050] 從圖5中可以看出，相比圖2,合金晶粒尺寸明顯增大，小晶粒數量減少；
[0051] 從圖6中可以看出，相比圖3,合金晶粒尺寸更加細小均勾，Co相減少；
[0052] 從圖7中可以看出，相比圖4，WC晶粒明顯增大，對應的灰色缺碳相η相也增大增 多。
【具體實施方式】
[0053] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步說明。
[0054] 本發明實施例中所用粘接劑為石蠟。
[0055] 實施例1 :
[0056] 步驟一
[0057] 按設計組分配取貧碳硬質合金粉末；然后混合均勻，壓制成形，燒結，得到貧碳預 燒結基體；所述貧碳硬質合金粉末以質量百分比計包括：
[0058] 粗 WC 粉 70 %;