一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法，具体涉及一种通过添加一定 比例的超细WC粉末快速制备超粗晶梯度硬质合金的方法，属于硬质合金材料制造领域。
【背景技术】
[0002] 超粗晶硬质合金具有高强度、耐磨损、耐腐蚀、高热稳定性等优点，在矿山钻探、桥 梁隧道施工等方面都有着重要的作用。然而相比细晶硬质合金，超粗晶硬质合金硬度和强 度较低，这进一步限制了其使用。所以研究粗晶梯度硬质合金以提高其综合性能。本研究组 公布的专利CN102031435A公开了一种通过渗碳获取表层Co含量呈梯度变化的硬质合金制 备工艺，通过将脱碳合金在氢气气氛下进行渗碳处理，即得到梯度硬质合金。梯度结构硬质 合金由于其非均匀结构，表现出与常规均质硬质合金不同的力学性能。特别是其三明治结 构，能够同时提高材料表面硬度和内部韧性，因而在力学性能和使用寿命方面更具有优势。 现有制备梯度结构硬质合金的方法主要有渗碳烧结法和脱碳烧结法，但现有渗碳烧结应为 制备周期长，到至其生产成本高不以利于产业化应用。然而在探索制备超粗晶梯度硬质合 金过程中，发现该方法的渗碳速率和Co的迀移速率还有待进一步的提升。
【发明内容】
[0003] 发明人在CN102031435A的基础上，作进一步的研究时，发现了通过采用一定质量 百分比的细WC粉，能快速的实现渗碳以及Co的扩散。基于此本发明针对现有制备超粗晶 粒梯度硬质合金的不足，提供一种通过添加一定比例超细WC粉末快速制备超粗晶梯度硬 质合金的方法。
[0004] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；包括下述步骤：
[0005] 步骤一
[0006] 按设计组分配取贫碳硬质合金粉末；然后混合均匀，压制成形，烧结，得到贫碳预 烧结基体；所述贫碳硬质合金粉末以质量百分比计包括：
[0007] 粗WC粉60~86% ;优选为65~80% ;;进一步优选为70~76% ;
[0008] 细WC粉4~20% ;优选为8~18% ;进一步优选为10~18% ;
[0009] Co 粉 4. 6-12% ;优选为 4. 6-10% ;进一步优选为 6-8% ;
[0010] W粉3-10% ;优选为4-8% ;进一步优选为4-6% ;
[0011] 步骤二
[0012] 将步骤一所得贫碳预烧结基体置于氢气气氛中，在1430~1460°C进行渗碳处理 60~150分钟，优选为60-150分钟，进一步优选为90-120分钟，得到超粗晶梯度硬质合金。
[0013] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；所述粗WC粉的粒度为6.0~ 12. 0 μ m ;所述细WC粉的粒度为0· 1~0· 8 μ m〇
[0014] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；所述细WC粉的粒度优选为0. 4~ 0· 8 μ m.进一步优选为0· 6~0· 8 μ m〇
[0015] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；所述Co粉的粒度为I. 5-3. 0 μ m ; 所述W粉的粒度为1. 8-3. 2 μ m。
[0016] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；所述混合均匀采用球磨的方式混 合均匀。
[0017] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；
[0018] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；球磨的条件为：转速40-160转/ min、球料质量比为3-6:1、球磨时间为12-24h、固液质量比为3-5:1。
[0019] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；所述贫碳硬质合金粉末可通过通 过下述优选方案制备：首先将按配取的粗WC粉、细WC粉加入酒精湿磨6-10小时，然后加入 配取的Co粉、W粉继续湿磨20-28小时；得到含有贫碳硬质合金粉末；所述球磨的条件为： 球料质量比为3-6:1 ;固液质量比为3-5:1、球磨转速为40-160转/min。
[0020] 为了进一步保证成品的性能，在压制成形前，可将不同粒度的WC粉末及Co粉、 W粉、粘接剂通过球磨混合均匀；所需粘接剂为硬质合金制备时常用的粘接剂，优选为石 蜡，粘接剂的用量为WC粉末、Co粉、W粉总质量的2%。因此在压制成形后需先进行脱蜡 处理，再进行加压烧结；所述脱蜡处理的条件为：在真空脱脂炉中，加热到170-190°C保温 30-50min，然后升温至410-430°C，并保温20-50min。脱蜡的目的主要是为了去除成形时所 引入的粘接剂。
[0021] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；球磨完成后，干燥，造粒，得到粒 度为60-120 μ m的贫碳硬质合金粉末。
[0022] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；压制成形的成形压力为 100-300MPa〇
[0023] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；加压烧结时，控制温度为1440~ 1460°C、真空度为 5X 10 3-2X 10 4Pa，压力为 3-6MPa，时间为 40-90min。
[0024] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；渗碳温度为1430~1460°C，渗碳 时间为30~150min，氢气流量为4~6L/min，冷却方式为随炉冷却。
[0025] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；渗碳所用碳源选自致密结晶状石 墨、鱗片状石墨、隐晶质石墨中的至少一种。
[0026] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；所制备的梯度硬质合金中梯度层 厚度为400~2000 μ m。
[0027] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；渗碳所用碳源选自致密结晶状石 墨、鱗片状石墨、隐晶质石墨中的至少一种，优选为固体鱗片状石墨。
[0028] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；当渗碳温度为1450Γ时，经 30min渗碳后，添加6~24%超细WC粉末的合金所得梯度层的厚度可达600~700 μ m ;而 未添加超细WC粉末的超粗晶硬质合金所得梯度层仅为320 μ m。
[0029] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；经90min渗碳后，添加20wt. % 超细WC粉末的合金梯度层的厚度可达1633 μm，而未加超细WC粉末所得梯度层仅为 1032 μπι;从这里可以看出本发明梯度层在90min内的梯度层厚度是同等条件下未加超细 WC粉末合金的1.5倍以上。
[0030] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；所得梯度层的厚度是可控的，通 过添加超细WC的比例以及控制渗碳温度和渗碳时间可以得到厚度为500~2000 μ m的梯 度层。
[0031] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；，所得硬质合金的表面硬度大于 等于89HRA。
[0032] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；所得硬质合金的横向断裂强度大 于等于1600MPa ;最高可达2400MPa。
[0033] 本发明一种快速制备粗晶梯度硬质合金的方法；制得梯度硬质合金后，检测梯度 合金厚度；其检测梯度合金厚度方法为：
[0034] 首先将合金表面磨平、抛光，在扫描电子显微镜（SEM)下米取BSE模式，低倍下观 察合金表面梯度层厚度，SEM照片在Image Pro Plus软件下计算其梯度层厚度，取平均值。
[0035] 有益效果
[0036] 本发明通过严格控制细WC粉的用量(6-24% )和粒度，通过适量的细WC粉、粗WC 粉、Co粉、W粉以及渗碳条件的协同作用，得到了性能优越的超粗晶梯度硬质合金。其渗碳 速度在同等条件下，远远超过了现有技术。其原因可能在于：
[0037] -定比例的超细WC粉末的添加在预烧结和渗碳过程均提高了其扩散系数，促进 了 WC在Co中的溶解析出反应。
[0038] -定比例的超细WC粉末的添加能降低了合金中WC的平均晶粒，这不仅能提高梯 度合金的硬度，而且还有利于渗碳过程中提供了更多的扩散通道进而有利于碳的扩散，从 而大大缩短了渗碳的时间。
【附图说明】
[0039] 图1是实施例1的90min渗碳硬质合金低倍BSE照片；
[0040] 图2是实施例1的90min渗碳硬质合金高倍外层晶粒照片；
[0041] 图3是实施例1的90min渗碳硬质合金高倍中间层晶粒照片；
[0042] 图4是实施例1的90min渗碳硬质合金高倍内层晶粒照片。
[0043] 图5是对比例1的90min渗碳硬质合金高倍外层晶粒照片；
[0044] 图6是对比例1的90min渗碳硬质合金高倍中间层晶粒照片；
[0045] 图7是对比例1的90min渗碳硬质合金高倍内层晶粒照片。
[0046] 从图1中可以看出硬质合金经过渗碳后呈现明显的三层结构，这是由不同的Co含 量分布而引起的。
[0047] 从图2中可以看出合金外层含有少量的黑色相Co,白色相WC有一定的晶粒长大。
[0048] 从图3中可以看出合金中间层黑色Co相明显较多，WC晶粒较外层较小。
[0049] 从图4中可以看出合金内层含量灰色缺碳相，说明内部没有发生渗碳反应，内部 晶粒也较外层更为细小。
[0050] 从图5中可以看出，相比图2,合金晶粒尺寸明显增大，小晶粒数量减少；
[0051] 从图6中可以看出，相比图3,合金晶粒尺寸更加细小均勾，Co相减少；
[0052] 从图7中可以看出，相比图4，WC晶粒明显增大，对应的灰色缺碳相η相也增大增 多。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0054] 本发明实施例中所用粘接剂为石蜡。
[0055] 实施例1 :
[0056] 步骤一
[0057] 按设计组分配取贫碳硬质合金粉末；然后混合均匀，压制成形，烧结，得到贫碳预 烧结基体；所述贫碳硬质合金粉末以质量百分比计包括：
[0058] 粗 WC 粉 70 %;