专利名称：一种兼具高强度和高韧性的双晶硬质合金的工业化制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有双晶结构的兼具高强度和高韧性的WC-C0硬质合金的工业化制备方法，属于硬质合金技术领域。
背景技术：
WC-Co硬质合金因其高的硬度、耐磨性和横向断裂强度，在切削工具、模具、矿山工具及耐磨零部件等领域获得广泛应用。作为一种金属陶瓷材料，硬质合金的硬度与断裂韧性是一对矛盾体。目前制备高硬度和高耐磨性的硬质合金，基本上以牺牲硬质合金的断裂韧性来达到指标。具有特殊的双晶组织结构的硬质合金，可同时具有高强度、高韧性、高耐磨性等优良综合性能，使其在苛刻的工矿条件下显示出独特优势。传统的制备双晶硬质合金的方法主要是以一定比例的亚微米尺度的WC粉和微米尺度的WC粉与Co粉进行球磨混合，随后烧结获得双晶结构的硬质合金块体；或者在WC和Co的混合粉末中添加板状晶的W 粉，以在烧结后的合金中获得双晶组织的WC-Co硬质合金。这些制备方法中普遍存在着粗大WC的数量和尺寸难以控制、粗大晶粒体积分数较少等缺点，使得硬质合金块体的横向断裂强度和断裂韧性不能达到令人满意的配合，而且，制备工艺过程繁琐，质量较难控制。因此，开发出能够稳定生产、易于操控的兼具高横向断裂强度和优异断裂韧性的双晶硬质合金的工业化制备技术具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的具有优良综合性能的硬质合金工业化制备技术中的问题，而提供一种易于操控、质量稳定的兼具高强度和高韧性的双晶硬质合金的工业化制备技术。首先，基于我们已有授权专利(张久兴，宋晓艳，刘文彬，一种简单快速的超细 WC-Co复合粉的制备方法，ZL 200610165554. 2，授权公告日2008年12月M日)，以钨氧化物、钴氧化物和炭黑为原料，利用原位反应合成方法制备WC-Co复合粉。通过工艺步骤及相应参数的调控，制备出具有团聚WC颗粒的WC-Co复合粉。然后，将此复合粉在氩气保护下进行粉末团聚预处理。以团聚预处理后的WC-Co复合粉为烧结原料，利用真空烧结或低压烧结的方法制备兼具高强度和高韧性的双晶硬质合金。本发明工艺步骤简单，操作方便， 可控性强，整条制备路线可用于批量生产兼具高强度和高韧性的双晶结构的WC-Co硬质合金。因此，本发明对硬质合金领域的科学研究和工业生产均具有重要的意义和实用价值。本发明所提供的兼具高强度和高韧性的双晶硬质合金的工业化制备方法，包括以下步骤(1)以W02.9、Co304和炭黑为原料，按照最终制备的双晶硬质合金中Co含量的要求， 进行三种原料的配比并进行球磨混合，球磨后粉末冷压成坯块送入真空炉中；在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-Co复合粉升温速率4 10°C /min,反应温度1050 1150°C，保温时间3 4小时。(2)对利用上述方法制备的WC-Co复合粉进行球磨破碎以无水乙醇或己烷为研磨介质，料液体积比为1 1 1 3;球料比为1 1，球磨机转速为100 300r/min;球磨时间为10 20小时；烘干后得到WC-Co复合粉末。(3)对得到的WC-Co复合粉末进行团聚预处理，在氩气保护下，以5 8°C /min升温至650 950°C，并在相应温度下保温30 60min。对团聚预处理后的WC-Co复合粉末加入成型剂聚乙二醇，加入量为每千克粉料30 80ml聚乙二醇。混合后将粉末进行模压成型。(4)将模压成型的粉末坯料进行烧结，烧结方式为真空烧结或低压烧结。其中真空烧结的工艺为升温至375 400°C，保温1 2小时；然后升温至750°C，保温1 2小时；再升温至1200 1280°C，保温0. 5 1. 5小时；随后以3 5°C /min的升温速率升温至1410 1470°C，保温0. 5 1. 0小时；最后随炉冷却至室温。低压烧结的工艺为升温至360 400°C，保温1 2小时；然后以10 20°C / min的升温速率升温至900°C，保温1 2小时；再升温至1200 1280°C，保温0. 5 1. 5 小时；随后以3 5°C /min的升温速率升温至1410 1470°C，保温20min 40min后，充入2 5MPa氮气或氩气，保温保压20 40min ；最后随炉冷却至室温。本发明是以金属氧化物和炭黑为原料最终制备出兼具高强度和优异断裂韧性的双晶硬质合金的一条完整的工业化制备技术路线，与现有的其它方法相比，本发明具有如下优势(1)本发明首先以商业化的钨氧化物、钴氧化物和炭黑为原料，利用原位反应合成技术制备WC-Co复合粉。该技术具有生产成本低、制备流程短、物相高纯、粒径可控等显著优势。以此技术制备的Co、W和C原子在原子水平进行混合，Co能够在复合粉中均勻的分布，使得烧结后的硬质合金中粘接相均勻分布在WC晶粒的周围。(2)在制备WC-Co复合粉的过程中，通过工艺参数的调控，细小的WC粉末颗粒的早期团聚为最后烧结形成粗大的WC晶粒提供了重要的先期条件，而且，通过工艺参数的综合控制可以调整最终制备的双晶组织结构的硬质合金中粗大WC晶粒的数量和尺寸。利用短流程的原位还原碳化反应过程，一次合成具有团聚WC颗粒的WC-Co复合粉，这是和在高温下通过某些热处理手段使WC和Co发生局部烧结形成团聚颗粒完全不同的工艺，其技术效果是不同的。与现有的制备双晶硬质合金粉末的方法相比，本发明的制粉工艺步骤简单，不需要对原料WC粉末的粒径进行配比，也无需添加板状晶的W粉，从而利于实现规模化生产，并可以保证质量可控性，从粉末原料上即可在相当大的程度上调控最终制备的硬质合金块体材料的质量。(3)本发明中对原位反应产生的WC-Co复合粉的坯块进行球磨破碎处理，一方面是为了从粉末坯块得到分散的粉末颗粒用作烧结粉料；另一方面，是通过控制球磨工艺参数，使球磨后的复合粉中存在一定比例的由细小颗粒团聚构成的大颗粒的粒度分布状态。 以这种粒径双晶分布状态的复合粉作为烧结用粉料，制备得到的硬质合金块体材料将具有双晶分布的晶粒尺寸分布特征，而不是在较小晶粒尺寸的基体上分布有极少数几个粗大晶粒的异常长大的晶粒组织，从而获得理想的双晶组织结构的硬质合金块体材料，具有强度和韧性最佳配合的优异综合性能。
(4)本发明中对WC-Co复合粉进行团聚预处理工艺，作用在于第一，使球磨后 WC-Co复合粉中的残余应力释放，有利于提高烧结后硬质合金块体材料的性能；第二，在团聚预处理的升温过程中，复合粉在球磨过程中可能引入的氧，能够与粉末中的游离碳发生反应，以气体的形式排出，去除氧杂质，提高复合粉的纯度及烧结块体材料的纯度；第三，在粉末团聚预处理的保温过程中，可增加由细小颗粒构成的WC团聚大颗粒的结合强度，在最后的烧结工艺中能够保持合适比例的粗大WC晶粒，形成稳定的双晶组织结构，从而保证优良的综合性能。某些对WC和Co粉末在一定温度下的热处理，可能在工艺过程中产生物相的变化，引入缺碳相或杂质，会对烧结后硬质合金块体材料的性能产生严重影响。(5)本发明所提供的真空烧结和低压烧结工艺是在目前工业生产中广泛使用的设备的基础上而制定的，没有特殊设备的投资而造成生产成本的增加。利用本发明技术，采用常规的工业烧结设备能够制备获得具有双晶结构的硬质合金，与传统方法制备的硬质合金相比，具有更高的强度和断裂韧性，尤其是两者之间的优良配合。
图1.本发明实施例1制备的具有一定比例的由细小颗粒团聚构成的WC大颗粒 (图中圆圈所示)的WC-Co复合粉图2.本发明实施例1制备的真空烧结的硬质合金块体材料；(a)显微组织形貌扫描电镜图片，(b)双晶特征的晶粒尺寸分布图， 测试的压痕形貌。图3.本发明实施例2制备的真空烧结的硬质合金块体材料；(a)显微组织形貌扫描电镜图片，(b)双晶特征的晶粒尺寸分布图， 测试的压痕形貌。图4.本发明实施例3制备的低压烧结的硬质合金块体材料；(a)显微组织形貌扫描电镜图片，(b)双晶特征的晶粒尺寸分布图， 测试的压痕形貌。图5.本发明实施例4制备的低压烧结的硬质合金块体材料；(a)显微组织形貌扫描电镜图片，(b)双晶特征的晶粒尺寸分布图， 测试的压痕形貌。
具体实施例方式所有实施例中均以W02.9、Co3O4和炭黑为原料。初始W02.9粉末的平均粒径约为40 微米，纯度为99. 5wt% (由赣州海盛钨钼有限公司生产)，Co3O4粉末的平均粒径约为25 微米，纯度为98. 5wt% (由北京化工厂生产)，炭黑粉末的平均粒径约为60微米，纯度为 99. 8wt% (由株洲硬质合金集团有限公司生产)。例1 最终产品为WC_6wt. % Co (YG6)硬质合金块体材料。以W02.9、Co304和炭黑粉末为原料，按照最终制备的YG6双晶硬质合金中Co含量的要求，进行三种原料的配比并进行球磨混合，球磨后的粉末冷压后送入真空炉中。在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-Co 复合粉升温速率为10°C /min，保温温度为1050°C，保温时间为3小时。对制备的WC-Co复合粉的坯块进行球磨破碎以无水乙醇为研磨介质，料液体积比为1 3;球料比为1 1;
(c)断裂韧性 (c)断裂韧性 (c)断裂韧性 (c)断裂韧性球磨机转速为300r/min ；球磨时间为10小时；烘干后得到WC-Co复合粉末。对球磨后的 WC-Co复合粉末进行团聚预处理，工艺参数为在氩气保护下，以8°C /min升温至650°C，并保温30min。由上述工艺制备得到的WC-Co复合粉的显微组织形貌示于图1。对团聚预处理后的WC-Co复合粉末按照每千克粉料30ml加入聚乙二醇，混合后将粉末进行模压成型。 将压制成型的混合粉末坯料进行真空烧结，工艺参数为升温至375°C，保温1小时；然后升温至750°C，保温1小时；再升温至1200°C，保温0. 5小时；随后以3°C /min的升温速率升温至1420°C，保温1小时；最后随炉冷却至室温。由上述工艺制备得到的YG6硬质合金块体材料的显微组织形貌见图2，材料性能参数见表1。例2 最终产品为WC-lOwt. % Co (YGlO)硬质合金块体材料。以W02.9、Co3O4和炭黑粉末为原料，按照最终制备的YGlO双晶硬质合金中Co含量的要求，进行三种原料的配比并进行球磨混合，球磨后的粉末冷压后送入真空炉中。在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-Co复合粉升温速率为8°C /min,保温温度为1100°C，保温时间为3. 5小时。对制备的WC-Co复合粉的坯块进行球磨破碎以己烷为研磨介质，料液体积比为1 2;球料比为1 1 ；球磨机转速为150r/min ；球磨时间为15小时；烘干后得到WC-Co复合粉末。对球磨后的WC-Co复合粉末进行团聚预处理，工艺参数为在氩气保护下，以6°C /min升温至 7500C，并保温40min。对团聚预处理后的WC-Co复合粉末按照每千克粉料40ml加入聚乙二醇，混合后将粉末进行模压成型。将压制成型的混合粉末坯料进行真空烧结，工艺参数为 升温至375°C，保温1小时；然后升温至750°C，保温1小时；再升温至1230°C，保温1小时； 随后以3°C /min的升温速率升温至1450°C，保温1小时；最后随炉冷却至室温。由上述工艺制备得到的YGlO硬质合金块体材料的显微组织形貌见图3，材料性能参数见表1。例3 最终产品为WC-lOwt. % Co (YGlO)硬质合金块体材料。以W02.9、Co3O4和炭黑粉末为原料，按照最终制备的YGlO双晶硬质合金中Co含量的要求，进行三种原料的配比并进行球磨混合，球磨后的粉末冷压后送入真空炉中。在真空炉中采用如下工艺参数制备 WC-Co复合粉升温速率为8°C /min，保温温度为1100°C，保温时间为3. 5小时。对制备的 WC-Co复合粉的坯块进行球磨破碎以无水乙醇为研磨介质，料液体积比为1 2，球料比为1 1 ；球磨机转速为150r/min ；球磨时间为15小时；烘干后得到WC-Co复合粉末。对球磨后的WC-Co复合粉末进行团聚预处理，工艺参数为在氩气保护下，以6°C /min升温至 7500C，并保温40min。对团聚预处理后的WC-Co复合粉末按照每千克粉料40ml加入聚乙二醇，混合后将粉末进行模压成型。将压制成型的混合粉末坯料进行低压烧结，工艺参数为 升温至400°C，保温2小时；然后升温至900°C，保温1小时；再升温至1280°C，保温1小时； 随后以3°C /min的升温速率升温至1420°C，保温20min后，充入2ΜΙ^氩气，保温保压40min ； 最后随炉冷却至室温。由上述工艺制备得到的YGlO硬质合金块体材料的显微组织形貌见图4，材料性能参数见表1。例4 最终产品为WC-15wt. % Co (YG15)硬质合金块体材料。以W02.9、Co3O4和炭黑粉末为原料，按照最终制备的YG15双晶硬质合金中Co含量的要求，进行三种原料的配比并进行球磨混合，球磨后的粉末冷压后送入真空炉中。在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-Co复合粉升温速率为10°C /min，保温温度为1150°C，保温时间为4小时。对制备的WC-Co复合粉的坯块进行球磨破碎以己烷为研磨介质，料液体积比为1 1，球料比为 1 1 ；球磨机转速为lOOr/min ；球磨时间为20小时；烘干后得到WC-Co复合粉末。对球
6磨后的WC-Co复合粉末进行团聚预处理，工艺参数为在氩气保护下，以8°C /min升温至 8500C，并保温40min。对团聚预处理后的WC-Co复合粉末按照每千克粉料50ml加入聚乙二醇，混合后将粉末进行模压成型。将压制成型的混合粉末坯料进行低压烧结，工艺参数为升温至375°C，保温2小时；然后升温至900°C，保温1小时；再升温至1230°C，保温1小时随后以4°C /min的升温速率升温至1450 V，保温20min后，充入5MPa氩气，保温保压30min 最后随炉冷却至室温。由上述工艺制备得到的YG15硬质合金块体材料的显微组织形貌见图5，材料性能参数见表1。表1不同实施例制备的双晶硬质合金的性能参数
权利要求
1. 一种兼具高强度和高韧性的双晶硬质合金的工业化制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)以W02.9、Co3O4和炭黑为原料，按照最终制备的双晶硬质合金中Co含量的要求，进行三种原料的配比并进行球磨混合，球磨后粉末冷压成坯块送入真空炉中；在真空炉中采用如下工艺参数制备WC-Co复合粉升温速率4 10°C /min，反应温度1050 1150°C，保温时间3 4小时；(2)对利用上述方法制备的WC-Co复合粉的坯块进行球磨破碎以无水乙醇或己烷为研磨介质，料液体积比为1 1 1 3，球料比为1 1 ；球磨机转速为100 300r/min ； 球磨时间为10 30小时；烘干后得到WC-Co复合粉末；(3)对得到的WC-Co复合粉末进行团聚预处理，在氩气保护下，以5 8°C/min升温至 650 950°C，并在相应温度下保温30 60min ；对团聚预处理后的WC-Co复合粉末加入成型剂聚乙二醇，加入量为每千克粉料30 80ml聚乙二醇；混合后将粉末进行模压成型；(4)将模压成型的粉末坯料进行烧结，烧结方式为真空烧结或低压烧结；其中真空烧结的工艺为升温至375 400°C，保温1 2小时；然后升温至750°C，保温1 2小时；再升温至1200 1280°C，保温0. 5 1. 5小时；随后以3 5°C /min的升温速率升温至1410 1470°C，保温0. 5 1. O小时；最后随炉冷却至室温；低压烧结的工艺为升温至360 400°C，保温1 2小时；然后以10 20°C /min的升温速率升温至900°C，保温1 2小时；再升温至1200 1280°C，保温0. 5 1. 5小时； 随后以3 5°C /min的升温速率升温至1410 1470°C，保温20min 40min后，充入2 5MPa氮气或氩气，保温保压20 40min ；最后随炉冷却至室温。
全文摘要
本发明公开了一种兼具高强度和高韧性的双晶硬质合金的工业化制备方法，属于硬质合金技术领域。包括以下步骤按照双晶硬质合金中Co含量，将WO2.9、Co3O4和炭黑进行球磨混合、冷压成坯块；在真空炉中制备WC-Co复合粉；以无水乙醇或己烷为介质进行球磨；烘干得到WC-Co复合粉末；在氩气保护下进行粉末团聚预处理，以5～8℃/min升温至650～950℃，并保温30～60min；每千克粉料加入30～80ml聚乙二醇成型剂，进行模压成型；将模压成型的粉末坯料进行烧结，烧结方式为真空烧结或低压烧结。本发明制备出的双晶硬质合金WC-Co硬质合金兼具高强度和优异断裂韧性，是一条完整的工业化制备技术路线。
文档编号C22C29/08GK102212731SQ201110137639
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者刘雪梅, 宋晓艳, 魏崇斌 申请人:北京工业大学