专利名称：一种WC-Co硬质合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及WC-Co硬质合金领域，特别涉及一种WC-Co硬质合金的制备方法。
背景技术：
WC-Co硬质合金是硬质合金领域发展最早，也是目前应用最为广泛的硬质 合金。传统的WC-Co硬质合金制备工艺包括以下步骤先将钨粉碳化，制备出 碳化钨；然后将碳化钨与钴粉混合后湿磨；再向湿磨得到的浆料中添加成形剂; 然后干燥、造粒；随后压制成形；最后装炉，进行脱脂、烧结。这些步骤较为 繁杂，往往带来生产周期长、过程繁琐、引入杂质机会加大、能耗高等缺点。 随着现代社会对能耗的关注和效率的重视，发展新的高效低能耗的WC-Co硬质 合金的生产工艺具有重要价值。
近年来，等离子体技术在航天、化工、机械、材料、电子等众多领域得以 广泛应用。介质阻挡放电等离子体是等离子技术的一种，介质阻挡放电等离子 体可以在常压下发生，它具有极高的电子密度和电子能量，这不仅是因为它是 单纯的一种热源，更因为它拥有大量由强电离效应产生的高能粒子而成为一种 激活源。介质阻挡放电在球磨中的引入，不仅能细化粉末，而且能提高粉末的 活性。因此，以经过介质阻挡放电等离子体辅助球磨处理的复合粉为原料，有 望简化硬质合金的生产工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足之处，提供一种WC-Co 硬质合金的制备方法，其采用碳化烧结一体化法，可以改善硬质合金制备过程 中的生产周期长、过程繁琐、能耗高以及由于过程繁琐而使杂质引入机会加大 等缺点。
本发明的目的通过下述技术方案实现 一种WC-Co硬质合金的制备方法， 其采用碳化烧结一体化的方法，具体包括以下步骤(1) 通过介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨机采用介质阻挡放电等离
子体辅助高能球磨方法对W、 C、 Co原料及补碳进行球磨，得到W、 C、 Co混合 粉末；
(2) 将所述W、 C、 Co混合粉末压制成形，得到生坯；
(3) 将所述生坯放入热源环境中烧结制备出WC-Co硬质合金。 为更好地实现本发明，步骤(1)所述W、 C、 Co各原料按照WC-XCo进行
配比，其中，X的取值范围是3《X《20，所述补碳与C原料的质量比为4X 腦。
所述介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨机，包括底座、磨球、弹簧、 电机、弹性连轴节、激振块、机架、球磨罐、真空阀、前盖板、硬质合金罐 内衬、球磨罐外罐、后盖板、电极棒及等离子体电源，所述的球磨罐安装在 机架上，球磨罐的内部放置有磨球，机架通过弹簧安装在底座上，其外侧设 置有激振块，驱动电机安装在底座上，且通过弹性连轴节分别与机架、激振 块连接，所述的等离子体电源分别与前盖板的任意一个螺栓及电极棒相连， 所述的硬质合金罐内衬为WC-XCo硬质合金，所述X的取值范围相应为3《X 《20。
步骤(1)所述介质阻挡放电等离子体辅助髙能球磨方法包括以下步骤
(1.1) 安装好球磨罐的前盖板和电极棒，并把前盖板和电极棒分别与等 离子体电源的正负两级相连，其中，电极棒接等离子体电源的正极，前盖板接 等离子体电源的负极；
(1.2) 在球磨罐中装入磨球和W、 C、 Co原料及补碳，当电极棒及磨球均 与W、 C、 Co原料接触后，盖好球磨罐的后盖板；
(1.3) 通过真空阀对密闭的球磨罐抽真空，再通过真空阀通入放电气体 介质，直到该球磨罐内的压力为0.01 0. 30MPa;
(1.4) 接通等离子体电源，根据放电气体介质及其压力调节放电参数， 等离子体电源电压为3 30KV，放电频率与电源电压相对应，实现介质阻挡放 电，并启动驱动电机带动激振块，使机架及固定在机架上的球磨罐同时振动， 从而改变电极棒与球磨罐内磨球的相对位置，进行介质阻挡放电等离子体辅助 高能球磨。
上述介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨方法中，所述磨球总体积占球磨 罐容积70 75 % ，其中直径20 22nim的磨球占总磨球数量10 15 % ，直径15 18mm的磨球占总磨球数量75 80%，直径lOmm的磨球占总磨球数量10%;所述W、 C、 0)粉末松容积占磨球之间空隙的30% 130%。 球磨的球粉比为10:1 200:1。 所述的放电气体介质为氩气、氮气、氨气或甲烷。
所述激振块采用双振幅5ram 10mm，电机转速930 1400r/min;球磨时间 为1 9h。
步骤(2)中所述的压制成形的方式为模压成形，单位压制力为50MPa 1000MPa。
步骤(3)中所述的热源环境的温度为1320 1480°C;热源环境的气氛环 境为真空、氩气或氮气，气氛压力为1Pa 10MPa;烧结的方式为真空烧结或真 空烧结结合热压烧结(压力小于0. lMPa的为真空烧结)。
本发明与传统技术相比，具有如下优点和特性-
(1) 实施工艺简单，生产周期短，杂质引入机会小。用直接将球磨后的 粉体压制成生坯的技术代替传统工艺中加成形剂造粒、烘干、压制成生坯的工 艺，该技术大大简化了硬质合金的制备工艺，縮短了生产周期，减小了传统工 艺中杂质引入的机会。
(2) 能耗低。直接将W、 C、 Co混合粉压制成的生坯用碳化烧结一体化的 技术取代传统工艺中先将W粉碳化，再将WC、 Co混合粉制成生坯烧结成形的 技术。本发明只存在一次从室温到高温的加热过程，而传统工艺需在W粉碳化 和生坯烧结时各经历一次从室温到高温的加热过程，因而能大大降低能耗。
图l是水发明采用的介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨机的结构示意图;
图2是图1所示介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨机的剖视图3是本发明WC-Co破质合金的制备方法的工艺流程图4是本发明WC-Co硬质合金的制备方法制备的WC-Co (以X=10、真空烧
结为例)硬质合金的XRD谱图5是本发明WC-Co硬质合金的制备方法制备的WC-Co (以X=10、真空烧
结为例)硬质合金的SEM图。
具体实施例方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不 限于此。实施例1
采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-10Co硬质合金，如图1、 2所示， 采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨机，其包括底座l、磨球2、弹簧3、 电机4、弹性连轴节5、激振块6、机架7、球磨罐8、真空阀8-1、前盖板8-2、 硬质合金罐内衬8-3、球磨罐外罐8-4、后盖板8-5、电极棒9、等离子体电源 10。球磨罐8安装在机架7上，其内部放置有磨球2，机架7通过弹簧3安装 在底座1上，其外侧设置有激振块6，驱动电机4安装在底座1上，且通过弹 性连轴节5分别与机架7、激振块6连接。等离子体电源10分别与前盖板8-2 的任意一个螺栓8-6及电极棒9相连。
球磨罐8中，选用不锈钢作为基体材料作为球磨罐外罐8-4，其硬质合金罐 内衬8-3为WC-10Co型硬质合金。
如图3所示，采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-10Co硬质合金， 其采用碳化烧结一体化的方法，具体包括以下步骤
(1)通过等离子体辅助高能球磨机采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球 磨方法对W、 C、 Co原料及补碳进行球磨，得到W、 C、 Co混合粉末，其中，所 述W、 C、 Co各原料按照WC-10Co进行配比，所述补碳与C原料的质量比为7. 5 %;
其中，如图1、 2所示，介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨方法的步骤是
(1.1) 安装好球磨罐的前盖板和电极棒，并把前盖板和电极棒分别与等 离子体电源的正负两级相连，其中，电极棒接等离子体电源的正极，前盖板接
等离子体电源的负极；
(1.2) 在球磨罐中装入磨球和W、 C、 Co原料及补碳，当电极棒及磨球均
与W、 C、 Co原枓接触后，盖好球磨罐的后盖板；
(1.3) 通过真空阀对密闭的球磨罐抽真空，再通过真空阀通入放电气体 介质，直到该球磨罐内的压力为0.12MPa;
(1.4) 接通等离子体电源，根据放电气体介质及其压力调节放电参数，等 离子体电源电压为28KV，放电频率与电源电压相对应，为60KHz，实现介质阻 挡放电，并启动驱动电机带动激振块，使机架及固定在机架上的球磨罐同时振 动，从而改变电极棒与球磨罐内磨球的相对位置，进行介质阻挡放电等离子体 辅助高能球磨。
上述介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨方法中，所述磨球总体积占球磨 罐容积70 75% ，其中直径20 22腿的磨球占总磨球数量10 15 %,直径15 18mm的磨球占总磨球数量75 80%，直径10mm的磨球占总磨球数量10%;所 述W、C、Co粉末松容积占磨球之间空隙的30% 130%;球磨的球粉比为80:1; 所述的放电气体介质为氩气、氮气、氨气或甲烷；所述激振块采用双振幅5皿 lOmm，电机转速930 1400r/min;球磨时间为3h。
(2) 将所述W、 C、 Co混合粉末装入模具，压制成形，单位压力为250MPa， 保压时间为3min，随后脱模，得到生坯；
(3) 将所述生坯放入热源环境中烧结制备出WC-Co硬质合金。
(3)采用真空烧结结合热压烧结的方法，将步骤(2)制得的生坯在lPa 的条件下以10°C/min的速度加热至134(TC并保温15min，随后以2. 5bar/min 的速度充入氩气至5MPa，并继续保温35min，然后冷却至室温，制得WC-10Co 硬质合金。
制得的WC-10Co硬质合金洛氏硬度HRA为90. 2，抗弯强度(TRS)为347lMPa。 实施例2
采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-10Co硬质合金，其步骤(1) 与实施例l基本相同，所不同的是球粉比为16: 1,球磨时间为6h; 步骤(2)与实施例l完全相同；
步骤(3):采用真空烧结的方法，将步骤(2)制得的生坯在1Pa的条件 下以10°C/min的速度加热至138(TC并保温60min，随后冷却至室温，制得 WC-10Co硬质合金。
制得的WC-10Co硬质合金洛氏硬度HRA为90. 4，抗弯强度(TRS)为2305MPa。 其XRD谱图见图4，其SEM图见图5。
实施例3
采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-10Co硬质合金，其步骤(1)、 (2)与实施例l完全相同；步骤(3)与实施例2完全相同。
制得的WC-10Co硬质合金洛氏硬度HRA为90. l，抗弯强度(TRS)为1520MPa。
实施例4
采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-3Co硬质合金，步骤(1)与实 施例1基本相同，不同之处在于所述的硬质合金罐内衬为WC-3Co硬质合金； W、 C、 Co按WC-3Co配比，并补碳4%;球粉比为100: 1，球磨时间为9h;等离子体电源电压为30KV,球磨罐内压力为0. OlMPa;
步骤(2):将球磨后的粉体装入模具，压制成形，单位压力为1000MPa， 保压时间为2min，随后脱模，得到生坯；
步骤(3):采用真空烧结的方法，将步骤(2)制得的生坯在0. 02Mpa氩 气的条件下以10°C/min的速度加热至148(TC并保温60min，随后冷却至室温， 制得WC-3Co硬质合金。
实施例5
采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-6Co硬质合金，步骤(1)与实 施例1基本相同，不同之处在于所述的硬质合金罐内衬为WC-6Co硬质合金； W、 C、 Co按WC-6Co配比，并补碳6%;球粉比为150: 1，球磨时间为2h;等 离子体电源电压为22KV，球磨罐内压力为O. 18MPa;
步骤(2):将球磨后的粉体装入模具，压制成形，单位压力为750MPa，保 压时间为90s，随后脱模，得到生坯；
步骤(3):采用真空烧结结合热压烧结的方法，将步骤(2)制得的生坯 在1Pa的条件下以10°C/min的速度加热至1440。C并保温15min,随后以 3bar/min的速度充入氮气至8MPa，继续保温45min，然后冷却至室温，制得 WC-6Co硬质合金。
实施例6
采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-13Co硬质合金，步骤(1)与 实施例1基本相同，不同之处在于所述的硬质合金罐内衬为WC-16Co硬质合 金；W、 C、 Co按WC-13Co配比，并补碳8%;球粉比为200: 1，球磨时间为lh; 等离子体电源电压为3KV，球磨罐内压力为O. 30MPa;
步骤(2):将球磨后的粉体装入模具，压制成形，单位压力为500MPa,保 压时间为2min，随后脱模，得到生坯；
步骤(3):采用真空烧结结合热压烧结的方法，将步骤(2)制得的生坯 在1Pa的条件下以10°C/min的速度加热至1400'C并保温15min，随后以 5bar/min的速度充入氩气至10MPa，继续保温45min，随后冷却至室温，制得 WC-13Co硬质合金。
实施例7采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-17Co硬质合金，步骤(1)与 实施例1基本相同，不同之处在于所述的硬质合金罐内衬为WC-17Co硬质合 金；W、 C、 Co按WC-17Co配比，并补碳9.5%;球粉比为50: 1，球磨时间为 4. 5h;等离子体电源电压为8KV，球磨罐内压力为O. 28MPa;
步骤(2):将球磨后的粉体装入模具，压制成形，单位压力为100MPa，保 压时间为150s，随后脱模，得到生坯；
步骤(3):采用真空烧结的方法，将步骤(2)制得的生坯在1Pa的条件 下以10°C/min的速度加热至132(TC并保温90min，随后冷却至室温，制得 WC-17Co硬质合金。
实施^8
采用本WC-Co硬质合金的制备方法制备WC-20Co硬质合金，步骤(1)与 实施例1基本相同，不同之处在于所述的硬质合金罐内衬为WC-20Co硬质合
金；W、 C、 CO按WC-20CO配比，并补碳10%;球粉比为10: 1，球磨时间为7h;
等离子体电源电压为15KV，球磨罐内压力为0. 25MPa;
步骤(2):将球磨后的粉体装入模具，压制成形，单位压力为50MPa，保 压时间为4ttin，随后脱模，得到生坯；
步骤(3):采用真空烧结的方法，将步骤(2)制得的生坯在0. 01Mpa氮 气的条件下以1(TC/min的速度加热至134(TC并保温60min，随后冷却至室温， 制得WC-20Co破质合金。
如上所迷，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发幽的较娃实施例， 并非用来限走未发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰， 都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
权利要求
1. 一种WC-Co硬质合金的制备方法，其采用碳化烧结一体化的方法，其特征在于包括以下步骤(1)通过介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨机采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨方法对W、C、Co原料及补碳进行球磨，得到W、C、Co混合粉末；(2)将所述W、C、Co混合粉末压制成形，得到生坯；(3)将所述生坯放入热源环境中烧结制备出WC-Co硬质合金。
2、 根据权利要求1所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 步骤(1)所述W、 C、 Co各原料按照WC-XCo进行配比，其中，X的取值范围是 3《X《20，所述补碳与(:原料的质量比为4% 10%。
3、 根据权利要求2所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 所述介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨机，包括底座、磨球、弹簧、电机、 弹性连轴节、激振块、机架、球磨罐、真空阀、前盖板、硬质合金罐内衬、 球磨罐外罐、后盖板、电极棒及等离子体电源，所述的球磨罐安装在机架上， 球磨罐的内部放置有磨球，机架通过弹簧安装在底座上，其外侧设置有激振 块，驱动电机安装在底座上，且通过弹性连轴节分别与机架、激振块连接， 所述的等离子体电源分别与前盖板的任意一个螺栓及电极棒相连，所述的硬 质合金罐内衬为WC-XCo硬质合金，所述X的取值范围相应为3《X《20。
4、 根据权利要求2所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 步骤(1)所述介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨方法包括以下步骤(1.1) 安装好球磨罐的前盖板和电极棒，并把前盖板和电极棒分别与等 离子体电源的正负两级相连，其中，电极棒接等离子体电源的正极，前盖板接 等离子体电源的负极；(1.2) 在球磨罐中装入磨球和W、 C、 Co原料及补碳，当电极棒及磨球均 与W、 C、 Co原料接触后，盖好球磨罐的后盖板；(1.3) 通过真空阀对密闭的球磨罐抽真空，再通过真空阀通入放电气体 介质，直到该球磨罐内的压力为0.01 0.30MPa;(1.4) 接通等离子体电源，根据放电气体介质及其压力调节放电参数， 等离子体电源电压为3 30KV，放电频率与电源电压相对应，实现介质阻挡放 电，并启动驱动电机带动激振块，使机架及固定在机架上的球磨罐同时振动，从而改变电极棒与球磨罐内磨球的相对位置，进行介质阻挡放电等离子体辅助 高能球磨。
5、 根据权利要求4所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 球磨的球粉比为10:1 200:1;球磨时间为1 9h。
6、 根据权利要求4所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 所述的放电气体介质为氩气、氮气、氨气或甲烷。
7、 根据权利要求1所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 步骤(2)中所述的压制成形的方式为模压成形，单位压制力为50MPa 1000MPa。
8、 根据权利要求1所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 步骤(3)中所述的热源环境的温度为1320 1480°C。
9、 根据权利要求1所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 热源环境的气氛环境为真空、氩气或氮气，气氛压力为1Pa 10MPa。
10、 根据权利要求1所述一种WC-Co硬质合金的制备方法，其特征在于 烧结的方式为真空烧结或真空烧结结合热压烧结。
全文摘要
本发明提供一种WC-Co硬质合金的制备方法，其采用碳化烧结一体化的方法，步骤为(1)通过介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨机采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨方法对W、C、Co原料及补碳进行球磨，得到W、C、Co混合粉末；(2)将所述W、C、Co混合粉末压制成形，得到生坯；(3)将所述生坯放入热源环境中烧结制备出WC-Co硬质合金。W、C、Co各原料按照WC-XCo进行配比，X的取值范围是3≤X≤20。本发明可缩短硬质合金制备过程的生产周期，简化工艺过程，降低能耗并减小杂质引入机会。
文档编号C22C1/05GK101285134SQ20081002840
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月30日 优先权日2008年5月30日
发明者曾美琴, 敏 朱, 磊 靳, 顾南山 申请人:华南理工大学