本发明涉及一种高性能硬质合金，属于硬质合金制备技术领域。
背景技术：
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硬质合金是指由一种或多种难熔金属的碳化物(WC、TiC等)作为硬质相，用金属粘结剂(Co、Fe、Ni等)作为粘结相，经粉末冶金技术制造出来的材料。硬质合金至20世纪30年代以来，被广泛应用于矿石工具、切削工具、医用材料、耐磨零件、微型钻头等设备。随着制造业的飞速发展，对硬质合金刀具材料要求其在高强度的同时拥有高韧性，即所谓的“双高合金”。
研究表明，当碳化钨(WC)的颗粒尺寸减小到亚微米以下时，硬质合金材料的硬度和耐磨性、强度和韧性均获得了提高，因此超细甚至纳米晶硬质合金的开发成为了竞相研发的热点。
制备超细硬质合金必须在烧结过程中严格控制碳化钨晶粒的长大。为了严格控制碳化钨晶粒的长大，通常采用的方法包括(1)采用微波、放电等离子等手段进行快速烧结，但此类方法对设备要求极高，投资巨大，工业规模化生产难度较高、成本高；(2)在原料(碳化钨、钴粉)的球磨混料过程中加入晶粒长大抑制剂(VC、Cr3C2、TaC等)，通过球磨混料使VC等晶粒长大抑制剂分散，在烧结的降温过程中碳化钨从粘结相中“溶解析出”，由于有VC等晶粒长大抑制剂的存在，使得WC晶粒的长大过程得到抑制。但加入晶粒长大抑制剂亦存在许多不可避免的缺点，比如在个别区域晶粒长大抑制剂“贫乏”，导致这些区域的WC晶粒出现异常长大，异常长大的晶粒常常成为裂纹源、脆性源，将对整个硬质合金制品性能带来不利影响；同时晶粒长大抑制剂加入量过多时，又将导致合金力学性能的损失。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高性能硬质合金，解决了现有技术存在的工业规模化生产难度较大、成本高、WC晶粒异常长大、孔隙较多等技术难题。
本发明采取的技术解决方案是：一种高性能硬质合金，以钴基合金代替钴作为粘结相，其中，钴基合金组成为Co-Al-W，各组分的摩尔百分比如下：Co：78％-99％，Al：1％-10％，W：0.1％-12％。
所述的硬质合金中，硬质相占总硬质合金的70wt％-95wt％，钴基合金占总硬质合金的5wt％-30wt％。
本发明所述高性能硬质合金的制备方法，所述的硬质合金是将上述钴基合金与硬质相经球磨混合、干燥、压制成型、真空高温烧结后制得。
所述的真空高温烧结是先加热到1350℃-1450℃，保温1h-4h，然后降温到1200℃±50℃保温2h-4h。
本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：(1)本发明通过使用钴基合金代替Co作为粘结相，从而降低了液相出现时的温度，使得在较低温度进行烧结时能够解决孔隙过多、粘结相分布不均等问题，并且WC颗粒不容易长大，从而得到晶粒度小、高硬度、高韧性的硬质合金。(2)本发明所述的硬质合金，WC颗粒大小D<300nm，硬度最高达到2100HV，烧结温度降低50℃，使用寿命最高达到同成分标准硬质合金的2.1倍。
具体实施方式
实施例1：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co82-Al8-W10)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴基合金占总原料的10wt％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1350℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为200nn，硬度为2100HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的2.1倍。
实施例2：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co99-Al1-W0.1)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴基合金占总原料的10wt％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1350℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为260nm，硬度为2000HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的1.4倍。
实施例3：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co78-Al10-W12)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴基合金占总原料的10wt％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1350℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为240nm，硬度为2030HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的1.5倍。
实施例4：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co89-Al5-W6)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴基合金占总原料的10wt％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1350℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为270nm，硬度为2020HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的1.8倍。
实施例5：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co84-Al7-W9)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴基合金占总原料的10wt％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1350℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为260nm，硬度为2080HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的1.9倍。
实施例6：以钴基合金作为粘结相的高性能YG10硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co93-Al3-W4)作为原料。其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴基合金占总原料的10wt％。球磨36小时，将上述混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1350℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为250nm，硬度为2020HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的1.6倍。
对比例1：以钴作为粘结相的YG10硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴(纯度99.9％，300目)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴占总原料的10wt％。球磨36小时，将上述混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：加热到1400℃，保温2h。所制得YG10硬质合金WC颗粒大小为250nm，硬度为1500HV0.5。
各实施例与对比例成分及性能见于表1，其中切削实验参数如下：主轴转速3000r/min，进给量0.2mm/r，背吃刀量0.1mm，加工材料为铸铁(HT200)。
表1 各成分钴基合金作为粘结相的硬质合金成分与性能
注：切削寿命一栏数值均为对应同成分标准硬质合金(即对比例1)的寿命倍数。
由上表1可看出，采用钴基合金作为粘结相的硬质合金的WC颗粒大小明显变小，硬度及切削寿命明显提高，且钴基合金成分为Co82-Al8-W10时，硬质合金性能 最好。
为更好体现出采用钴基合金作为粘结相可降低硬质合金的烧结温度，本发明采用不同烧结工艺进行实验，所得硬质合金性能见于表2。硬质合金采用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co82-Al8-W10)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴基合金占总原料的10wt％。其中切削实验参数如下：主轴转速3000r/min，进给量0.2mm/r，背吃刀量0.1mm，加工材料为铸铁(HT200)。
表2 不同烧结工艺下以钴基合金作为粘结相的硬质合金的性能
注：切削寿命一栏数值均为对应同成分标准硬质合金(即对比例1)的寿命倍数。
由表2可知，采用1350℃保温2h，后降温至1200℃保温2h的烧结工艺最为合 理。
本发明所述钴基合金亦可应用于其它牌号硬质合金，本发明采用上述最佳的钴基合金成分(Co82-Al8-W10)作为粘结相，制备其它牌号硬质合金，具体实施例及对比例如下。
实施例7：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co82-Al8-W10)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的94wt％，钴基合金占总原料的6wt％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1380℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为210nm，硬度为1800HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的2倍。
对比例2：以钴作为粘结相的硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴(纯度99.9％，300目)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的94wt％，钴占总原料的6wt％。球磨36小时，将上述混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：加热到1430℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为400nm，硬度为1350HV0.5。
实施例8：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co82-Al8-W10)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的92wt％，钴基合金占总原料的8wt％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1380℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为260nm，硬度为1750HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的1.9倍。
对比例3：以钴作为粘结相的硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴(纯度99.9％，300目)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的92wt％，钴占总原料的8wt％。球磨36小时，将上述混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧 结工艺如下：加热到1430℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为420nm，硬度为1300HV0.5。
实施例9：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co82-Al8-W10)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的85wt％，钴基合金占总原料的15wt％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1350℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为260nm，硬度为1540HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的2.1倍。
对比例4：以钴作为粘结相的硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴(纯度99.9％，300目)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的85wt％，钴占总原料的15wt％。球磨36小时，将上述混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：加热到1400℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为410nm，硬度为1140HV0.5。
实施例10：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co82-Al8-W10)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴基合金占总原料的5wt％，碳化钛占总原料的5％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1450℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为260nm，硬度为1840HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的2倍。
对比例5：以钴作为粘结相的硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴粉(纯度99.9％，300目)及TiC粉末(纯度99.9％，300目)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的90wt％，钴占总原料的5wt％，碳化钛占总原料的5％。球磨36小时，将上述混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：加热到1500℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为460nm，硬度为1440HV0.5。
实施例11：以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴基合金(Co82-Al8-W10)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的80wt％，钴基合金占总原料的5wt％，碳化钛占总原料的15％。球磨36小时，将上述制备好的混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：首先加热到1450℃，保温2h，然后降温到1200℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为250nm，硬度为2100HV0.5，使用寿命达到同成分标准硬质合金的2倍。
对比例6：以钴作为粘结相的硬质合金
选用碳化钨粉末(纯度99.9％，300目)添加钴粉(纯度99.9％，300目)及TiC粉末(纯度99.9％，300目)作为原料，其中碳化钨粉末占总原料的80wt％，钴占总原料的5wt％，碳化钛占总原料的15％。球磨36小时，将上述混合料压制成压坯，其中压制压力为100MPa。将压制好的压坯进行真空烧结，烧结工艺如下：加热到1530℃保温2h。所制得硬质合金WC颗粒大小为450nm，硬度为1700HV0.5。
各实施例与对比例成分及性能见于表3，其中切削实验参数如下：主轴转速3000r/min，进给量0.2mm/r，背吃刀量0.1mm，加工材料为铸铁(HT200)。
表3 Co82-Al8-W10作为粘结相时不同硬质合金的性能
注：除实施例9与对比例4的使用寿命为轧辊寿命外，其余均为切削寿命。
使用寿命一栏数值均为对应同成分标准硬质合金的寿命倍数。
由上表1-3可知，本发明所述钴基合金适用于各牌号硬质合金。