含锆固溶体（W，Nb，Zr）C及其制成的硬质合金刀具材料的制作方法

本发明与含锆固溶体及其制成的硬质合金刀具材料有关。

背景技术：
：

为了改善硬质合刀具材料的切削性能，人们常加入TaC来改善硬质合金的高温红硬性，以扩大硬质合金刀具的应用范围。随着TaC价格的猛涨，科研工作者都在寻找新型的无Ta或少Ta硬质合金刀具材料，以降低硬质合金材料的成本，使其能有更广泛的应用前景，这一项研究对大力推广硬质合金刀具具有重大意义。

技术实现要素：
：

本发明的目的在于提供一种成本低、具有很好的固溶度的含锆固溶体。

本发明的另一目的在于提供一种成本低、具有优越的切削性能的硬质合金刀具材料。

本发明是这样实现的： 含锆固溶体（W，Nb，Zr）C，含锆固溶体平均粒度要求为0.8～3微米。

含锆固溶体（W，Nb，Zr）C中WC：NbC：ZrC的质量比为:55—60：20—25：15—20，优选59.64:23.23:17.14。

含锆固溶体（W，Nb，Zr）C的制备步骤如下：

（1）根据固溶体的组成和粒度要求，分别称取相应粒度的原料粉末，将WC、ZrO₂、Nb₂O₅按50～60：20～30：15～20的重量比进行配制，并以炭黑作为还原剂。

（2）通过滚动球磨对原料进行均匀混合，以酒精作为球磨介质，球料比4 ：1，混料时间为10小时。

（3）将经干燥、擦筛后的混合料粉末以0.6MPa的压力压制成料坯；

（4）将压制成的料坯在1700—1800℃温度下还原反应，最终于2000℃～2200℃条件下真空固溶3—5小时，反应制备出固溶体粉末。

含锆固溶体（W，Nb，Zr）C制成的硬质合金刀具材料，粘结相Co含量6wt.%—12wt.%，含锆固溶体（W，Nb，Zr）C含量为6wt.%—20wt.%，其余为WC，硬质合金刀具材料中WC的平均粒径为0.8—2.0μm，固溶体（W，Nb，Zr）C平均粒径为WC平均粒径1—1.5倍，ZrC的含量在硬质合金刀具材料中的最大重量百分比为5%。本发明中ZrC的含量在硬质合金刀具材料中的最大重量百分比为5%，超过5%这个数值，合金刀具材料的脆性加大，且合金材料的烧结性能变差。

所述的含锆固溶体（W，Nb，Zr）C制成的硬质合金刀具材料，其制备方法如下：

按照配方，将平均粒径分别为1—2μm的WC、1.5—2.5μm的含锆固溶体（W，Zr，Nb）C、以及1μm的Co，按比例混合，以己烷为湿磨介质，每公斤粉末加350毫升，球料比为4:1，球磨时间64h，球磨时间64h后，再参蜡混合2h，干燥制粒后压成刀片毛坯，在温度1450℃—1475℃，4—6MPa低压烧结1.5h。

本发明分别以WC为原料,ZrO₂作为Zr源，Nb₂O₅作为Nb源，再配以一定量的炭黑粉末，在真空下进行还原碳化—固溶反应，从而制得所需的固溶体粉末。通过本方法制备所得的固溶体粉末具有很好的固溶度，通过XRD分析为单相结构，同时产品的纯度高，氧含量低，成分可控。成本只有传统（W/Ta）C固溶体的43%。

本发明用相对廉价的ZrC和NbC来替代昂贵的TaC做为刀具原料，刀具的切削性能相当。含锆固溶体（W_0.44Nb_0.34Zr_0.24）C完全可以替代TaC固溶体应用到焊管去毛刺加工刀具的基体材料中，可使刀片成本明显降低，刀具的性价比更高。

附图说明：

图1为107jd1—3刀片示意图。

图2为图1的剖视图。

图3为WG—3 刀片示意图。

图4为图3的剖视图。

图5 为107jd1—3和WG—3刀片的使用示意图

具体实施方式：

实施例1：

含锆固溶体（W，Nb，Zr）C的制备方法，其步骤是：

（1）根据固溶体的组成和粒度要求，分别称取相应粒度的原料粉末，将WC、ZrO₂、Nb₂O₅按50～60：20～30：15～20的重量比进行配制，并以炭黑作为还原剂。

（2）将预处理后的混合物料浆转入真空干燥箱内，于—0.04Mpa压力下，在75℃下干燥后将混合料取出擦筛，得到粒径为0.5—1mm的混合料粉末；

（3）将混合料粉末以0.6MPa的压力压制成一定形状的料坯；

（4）将压制好的料坯转入真空反应器中，先在1750℃温度下还原反应，最终于2100℃条件下真空固溶4小时，反应制备出固溶体粉末。

实施例2：

采用粒度为2μm WC粉末，1.0μm ZrO₂粉末，1.0μm Nb₂O₅粉末作为原料。其质量配比为WC：Nb₂O₅：ZrO₂=54.44:26.87:18.69，并添加13.95wt%左右的炭黑粉末。

经过实施例1的方法，混合好的料浆于真空度—0.04Mpa，75℃下干燥，待混合料降至室温后取出，经过擦筛制得粒度为0.5—1.0mm粒子粉末，然后再压制成一定形状的料坯，将料坯放在真空容器中，先在1700℃下真空还原反应3小时后再在2000℃温度下真空固溶4小时，得到最终组织为（W_0.44Nb_0.32Zr_0.24）C的固溶体粉末。

固溶体粉末化学组成：见表1。

表1： 固溶体化学成份

由上表可以看出所制得粉末成分基本与设计值相符，氧含量很低≤0.1%，粉末具有较高的纯度（99.5%）。

实施例3：

将实施例2制得的固溶体（W_0.44Nb_0.32Zr_0.24）C，按照配方：重量百分比，Co含量12wt.%，固溶体（W_0.44Nb_0.32Zr_0.24）C含量18wt.%，其余为WC， ZrC的含量在硬质合金刀具材料中的最大重量百分比为5%。将平均粒径分别为1—2μm的WC、1.5—2.5μm的固溶体（W_0.44Nb_0.32Zr_0.24）C、以及1μm的Co，按上述配方混合，以己烷为湿磨介质，每公斤粉末加350毫升，球料比为4:1，球磨时间64h，球磨时间64h后，再参蜡混合2h，干燥制粒后压成刀片毛坯，在温度1450℃，4—6MPa低压烧结1.5h得硬质合金刀具材料。

实验例1：

用实施例3制得的硬质合金刀具材料替代传统（W/Ta）C固溶体制得的硬质合金刀具材料做焊管去毛刺加工刀具，具体试验情况如下：

（1）固溶体成分对比：

实施例3制得的（W_0.44Nb_0.32Zr_0.24）C 单价 ：860元/公斤

传统（W/Ta）C固溶体：WC：TaC=50：50 单价 ：2000元/公斤

2）相同加入量硬质合金产品性能对比

将上述两种固溶体在相同的工艺条件下制备得到两种硬质合金刀具材料，化学成分分别为：

①实施例3 硬质合金刀具材料 ：WC（余），18%（W_0.44Nb_0.32Zr_0.24）C ， 12%Co，

②传统（W/Ta）C固溶体制成硬质合金刀具材料：WC（余），18% （WC：TaC=50：50）， 12 %Co。

生产方法：

按照配方，将平均粒径分别为1—2μm的WC、1.5—2.5μm的（W，Zr，Nb）C或传统（W/Ta）C固溶体、以及1μm的Co，按比例混合，以己烷为湿磨介质，每公斤粉末加350毫升，球料比为4:1，球磨时间64h，球磨时间64h后，再参蜡混合2h，干燥制粒后压成刀片毛坯，在温度1450℃，4—6MPa低压烧结1.5h分别制成不同固溶体刀具材料1、2。

其物理力学性能如下表2。

表2 加入不同固溶体刀具材料性能：

3）将两种刀具材料分别制作成焊管内外去毛刺加工刀片107jd1—3和WG—3(见附图)，然后再经过相同的CVD涂层工艺处理后到工厂去现场切削验证，其结果如下表3。

表3 刀具切削试验结果

从上表中可以看出，刀具的切削性能相当。含锆固溶体（W_0.44Nb_0.34Zr_0.24）C完全可以替代含Ta固溶体应用到焊管去毛刺加工刀具的基体材料中，可使刀片成本明显降低，刀具的性价比更高。