专利名称：含板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种含板状碳化钨(wc)晶粒的硬质合金的制备方法，属碳化钨硬质合金制备工艺技术领域。
技术背景硬质合金具有高弹性模量、高硬度，优异的热稳定性、高温抗氧化性和耐蚀性， 在机加工、采矿等行业得到了广泛应用。传统硬质合金的硬度(即耐磨性)与韧性(即 抗断裂性能)往往是一对矛盾。如果增加了耐磨性，则会降低抗断裂性能，相反若增加了抗断裂性能，则耐磨性又会下降。通常，人们通过改变WC的粒度、Co含量和其它碳化物的添加量来改变硬质合金的耐磨性和抗断裂性能，从而满足硬质合金在某 些场合的使用。近年的研究表明，含板状碳化钩晶粒的硬质合金可以解决这一矛盾， 并且它具有高韧性、高强度、高硬度、高耐磨性、高的抗塑性变形能力、高的高温硬 度、高的高温疲劳强度、较好的抗高温蠕变与抗热冲击性能等独特性能。含板状碳化钨晶粒的硬质合金之所以具有高的硬度与wc晶粒的各向异性有关。wc在微观结构上属六方晶系，具有各向异性，特别是硬度的各向异性很强，导致其 不同取向和晶面的物理机械性能差别很大。如图l所示，其底面的(0001)面和棱面(liOO)面的维氏硬度分别为HV二2100和HV二1080，前者比后者高了一倍多。由图1 (a)可以看出，普通硬质合金中的WC晶粒呈三棱柱状，如果能使这种三棱柱 状WC晶粒的(0001)底面择优生长为三角板状，则因具有高硬度的(0001)面WC 晶粒所占的比率提高，硬质合金的硬度也就相应的得到了提高。特别是，如能使WC (0001)面晶粒定向排布，转化为具有如图l(b)所示的含板状WC晶粒定向特征的硬 质合金，则这种硬质合金在垂直于(0001)面将具有异常高的硬度。此外，这种硬质 合金还具有高的韧性。这是因为当微裂纹绕过或穿过板状WC晶粒时都需要消耗很大 的断裂能，从而阻碍了微细裂纹的进一步扩展，提高了断裂韧性。因此，制备含板状 WC晶粒的硬质合金可以同时提高硬度和韧性。目前制备含板状WC晶粒的硬质合金的方法有(1)通过高能球磨的方法获得超细wc粉，通过在烧结过程中使wc晶粒产生异常长大成为板状，结合热压烧结工艺使WC定向。(2)使用(W/Ti/Ta)C固溶体为原料，并使其中所含的WC处于过饱和状态， 在加热烧结时WC将从过饱和固溶体中析出，结晶为板状WC。 (3)在硬质合金粉中 添加适量的某些物质，如TiC，可以使WC的晶粒形状向板状发展。(4)通过球磨使 球状的W变成板状，然后在单轴向压力作用下使板状的W定向，随后在烧结阶段由于 W、 C、 Co反应形成定向的板状WC晶粒。(5)与第四种方法类似，原始粉料换用 CoxWyCz+C来制备。上述方法中前四种方法存在着板状WC的数量和尺寸难以控制， 板状晶粒比例少等缺点，使得硬质合金的各项性能，尤其是硬度、耐磨性、强度、韧 性和抗断裂性能不能得到有效提高。而第(5)方法由于采用的原始粉体不是WC，可 能因碳含量的少量波动损害硬质合金的性能。 发明内容本发明的目的是提供一种含板状碳化钨(WC)晶粒的硬质合金的制备方法，本 发明的特点是通过加入板状WC晶种晶粒，使硬质合金在烧结过程中由于细小WC 晶粒的溶解及随后在板状WC晶种表面析出，来制备含板状WC晶粒的硬质合金。本发明一种含板状碳化鸨晶粒的硬质合金的制备过程中，所采用的作为晶种的 板状碳化钨单晶颗粒的制备方法，本发明人已就该方法申请并获得了中国专利，该专 利文件的专利号为ZL 200310108888.2，发明名称为"制备板状碳化钨单晶颗粒的方 法"。本发明一种含板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法，其特征在于具有以下的 工艺过程和步骤A. 首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒采用纯度为99.5。/。的W03和光 谱纯的C作为原料，两者以摩尔比l:4进行配料，g卩W03:Ol:4;将其混合后，按盐 料比1:1 2:1加入NaCl或KCl盐，并以无水乙醇为分散介质，再进行混合；然后烘 干、过筛；将上述混合均匀的原料装入坩埚中，在氩气气氛中于800 130(TC温度下焙烧，并在该温度下保温1 4小时；焙烧后的产物随炉冷却至室温；然后用蒸馏水多 次漂洗合成产物，去除残留的熔盐颗粒，烘干后即得板状碳化钨单晶颗粒；B. 取一定量的商业用WC粉、商业用Co粉和上述制得的板状WC单晶颗粒作 为原料，三者的重量百分配比如下WC粉80~90%， Co粉5~15%， WC晶种晶粒 3-8%;先将商业用WC粉和Co粉经高能球磨使其粒度变细，即将WC粉和Co粉装 入球磨罐中，球磨介质为WC硬质合金球，球料比为2(hl，球磨转速为150rpm，球 磨时间为20小时；然后再加入板状WC晶种晶粒， 一起共同充分混合；C. 然后经掺胶、干燥、过筛后，在130MPa下压制成坯，随后再对压坯进行冷 等静压处理，使压坯密度进一步提高；然后在1300 1500'C温度下进行真空烧结，烧 结时间为40 100分钟；最终制得含板状碳化钨晶粒的硬质合金。本发明还有一种方法，即采用热压烧结的方法来制备具有定向排列板状碳化钨 晶粒的硬质合金。本发明另一种含板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法，其特征在于具有以下 的工艺过程和步骤A. 首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒采用纯度为99.5%的 03和光 谱纯的C作为原料，两者以摩尔比l:4进行配料，即W03:C-1:4;将其混合后，按盐 料比1:1 2:1加入NaCl或KCl盐，并以无水乙醇为分散介质，再进行混合；然后烘 干、过筛；将上述混合均匀的原料装入坩埚中，在氩气气氛中于800 130(TC温度下焙烧，并在该温度下保温1 4小时；焙烧后的产物随炉冷却至室温；然后用蒸馏水漂 洗合成产物，去除残留的熔盐颗粒，烘干后即得板状碳化钨单晶颗粒；B. 取一定量的商业用WC粉、商业用Co粉和上述制得的板状WC单晶颗粒作 为原料，三者的重量百分配比如下WC粉80~90%， Co粉5~15%， WC晶种晶粒 3~8%;先将商业用WC粉和Co粉经高能球磨使其粒度变细，即将WC粉和Co粉装 入球磨罐中，球磨介质为WC硬质合金球，球料比为20:1，球磨转速为150rpm，球 磨时间为20小时；然后再加入板状WC晶种晶粒， 一起共同充分混合；C. 然后采用热压烧结方法，即将上述混合粉末松散置于石墨模具中，在氮气气 氛中直接加热烧结到1300~1500°C，并在此温度下保温5~10分钟，随后施加压力 20 40MPa，再保温30 卯分钟，最后将烧结产物随炉冷却至室温，最终制得含定向 排列板状碳化钨晶粒的硬质合金。本发明方法的特点及优点如下(1) 本发明方法通过调整加入的板状WC晶种的尺寸和数量，可以控制硬 质合金中板状WC晶粒的数量、尺寸和长厚比，从而优化硬质合金的 性能；(2) 由于采用的晶种为WC，不会因碳含量的少量波动损害硬质合金的性 能；(3) 本发明方法工艺简单，投入成本低，重现性好。
图1为本发明中板状WC晶粒晶面特性及定向排布的结构示意图。其中(a)为
板状WC示意图，(b)为板状WC定向的硬质合金示意图。
具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后。 实施例1本实施例的工艺过程和步骤如下(1) 首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒采用纯度为99.5%的W03和光谱纯的C作为原料，两者以摩尔比1:4进行配料，即W03:C4:4;将其混合后，按 盐料比1.5:1加入NaCl盐，并以无水乙醇为分散介质，再进行混合；然后烘千、过 筛；将上述混合均匀的原料装入坩埚中，在氩气气氛中于120(TC温度下焙烧，并在该温度下保温3小时；焙烧后的产物随炉冷却至室温；然后用蒸馏水漂洗合成产物三次，去除残留的熔盐颗粒，烘干后即得板状碳化钨单晶颗粒(具体更详细的工艺方法请参见中国专利文件ZL 200310108888.2，发明名称为"制备板状碳化钨单晶颗粒的 方法")；(2) 取一定量的商业用WC粉、商业用Co粉和上述制得的板状WC单晶颗 粒作为原料；按规定重量配比称量配料，称取WC粉17g， Co粉2g和WC晶种晶粒 lg;板状WC晶种晶粒尺寸为l~3ym、长厚比为1:1 5:1;将上述WC粉和Co粉装 入球磨罐中，球磨介质为WC硬质合金球，球料比为20:1，球磨转速为150rpm，球 磨时间为20小时；然后加入上述的板状WC晶种晶粒， 一起共同充分混合；(3) 然后进行掺胶，即加入1%的橡胶汽油溶液或石蜡汽油溶液，在11(TC下 真空干燥l小时，再经IOO目的筛网过筛后，在130MPa下压制成坯；随后再对压坯 进行冷等静压处理，使压坯密度进一步提高；然后在140(TC温度下进行真空烧结， 烧结时间60分钟；最终制得含板状碳化钨晶粒的硬质合金。上述方法制得的硬质合金中，板状WC无定向排布特征，晶粒数量较多，晶粒 尺寸较大， 一般在2 6um;长厚比也较大， 一般为2:卜3:1;合金的硬度和韧性均有 所提高。 实施例2本实施例的工艺过程和步骤如下(1) 首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒，其制备方法与上述实施例1 中的第一步骤完全相同；(2) 取一定量的商业用WC粉、商业用Co粉和上述制得的板状WC单晶颗禾立
作为原料；按规定重量配比称量配料，称取WC粉17g， Co粉2g和WC晶种晶粒 lg;板状WC晶种晶粒尺寸为l~3nm、长厚比为1:1 5:1;将上述WC粉和Co粉装 入球磨罐中，球磨介质为WC硬质合金球，球料比为20:1，球磨转速为150rpm,球 磨时间为20小时；然后加入上述的板状WC晶种晶粒， 一起共同充分混合；(3)然后采用热压烧结方法，即将上述混合粉末松散置于石墨模具中，在氮气 气氛中直接加热烧结到1400°C，并在此温度下保温10分钟，随后施加压力30MPa， 再保温60分钟，最后将烧结产物随炉冷却至室温，最终制得含定向排列板状碳化钨 晶粒的硬质合金。上述方法制得的硬质合金中，板状WC晶粒呈定向排布特征；晶粒数量较多，晶 粒尺寸大小一般在3 6um;长厚比也较大， 一般为2:1 3:1;该合金的物理机械性能 出现各向异性，在垂直于压力方向的硬度很高。
权利要求
1.一种含板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤A.首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒采用纯度为99.5％的WO3和光谱纯的C作为原料，两者以摩尔比1∶4进行配料，即WO3∶C＝1∶4；将其混合后，按盐料比1∶1～2∶1加入NaCl或KCl盐，并以无水乙醇为分散介质，再进行混合；然后烘干、过筛；将上述混合均匀的原料装入坩埚中，在氩气气氛中于800～1300℃温度下焙烧，并在该温度下保温1～4小时；焙烧后的产物随炉冷却至室温；然后用蒸馏水多次漂洗合成产物，去除残留的熔盐颗粒，烘干后即得板状碳化钨单晶颗粒。B.取一定量的商业用WC粉、商业用Co粉和上述制得的板状WC单晶颗粒作为原料，三者的重量百分配比如下WC粉80～90％，Co粉5～15％，WC晶种晶粒3～8％；先将商业用WC粉和Co粉经高能球磨使其粒度变细，即将WC粉和Co粉装入球磨罐中，球磨介质为WC硬质合金球，球料比为20∶1，球磨转速为150rpm，球磨时间为20小时；然后再加入板状WC晶种晶粒，一起共同充分混合。C.然后经掺胶、干燥、过筛后，在130MPa下压制成坯；随后再对压坯进行冷等静压处理，使压坯密度进一步提高；然后在1300～1500℃温度下进行真空烧结，烧结时间为40～100分钟；最终制得含板状碳化钨晶粒的硬质合金。
2. —种含板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法，其特征在于具有以下的工艺 过程和步骤A. 首先制备作为晶种的板状碳化钨单晶颗粒采用纯度为99.5。/。的W03和光 谱纯的C作为原料，两者以摩尔比1:4进行配料，即W03:C4:4;将其混合后，按盐 料比1:1 2:1加入NaCl或KCl盐，并以无水乙醇为分散介质，再进行混合；然后烘 干、过筛；将上述混合均匀的原料装入坩埚中，在氩气气氛中于800 130(TC温度下焙烧，并在该温度下保温1 4小时；焙烧后的产物随炉冷却至室温；然后用蒸馏水多次漂洗合成产物，去除残留的熔盐颗粒，烘干后即得板状碳化钨单晶颗粒；B. 取一定量的商业用WC粉、商业用Co粉和上述制得的板状WC单晶颗粒作 为原料，三者的重量百分配比如下WC粉80~90%, Co粉5 15%， WC晶种晶粒 3~8%;先将商业用WC粉和Co粉经高能球磨使其粒度变细，即将WC粉和Co粉装 入球磨罐中，球磨介质为WC硬质合金球，球料比为20:1，球磨转速为150rpm，球 磨时间为20小时；然后再加入板状WC晶种晶粒， 一起共同充分混合； C.然后采用热压烧结方法，即将上述混合粉末松散置于石墨模具中，在氮气气 氛中直接加热烧结到1300~1500°C，并在此温度下保温5~10分钟，随后施加压力 20 40MPa，再保温30-90分钟，最后将烧结产物随炉冷却至室温；最终制得含定向 排列板状碳化钨晶粒的硬质合金。
全文摘要
本发明涉及一种含板状碳化钨(WC)晶粒的硬质合金的制备方法，属碳化钨硬质合金制备工艺技术领域。本发明的特点是以板状碳化钨单晶颗粒为晶种，将其与商业用WC粉和Co粉相混合；各原料的重量百分配比为WC粉80～90％，Co粉5～15％，WC晶种晶粒3～8％；混合料经高能球磨，特别是采用特殊的热压工艺，可制得具有板状WC晶粒定向排布特征的硬质合金。本发明方法的优点是通过调整加入的板状WC晶种的尺寸和数量，可以控制硬质合金中板状WC晶粒的数量、尺寸和长厚比，从而优化硬质合金的性能。本发明方法工艺简单，成本低，重现性好。
文档编号C22C29/06GK101117673SQ20071004592
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者朱丽慧, 黄清伟 申请人:上海大学