专利名称：一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于粉末冶金烧结成形领域，具体是指一种含微量钴(Co)的无粘结相碳化钨(WC)硬质合金及其制备方法。
背景技术：
传统硬质合金是以难溶金属硬质化合物为基体，以钴、镍、铁等金属为粘结相。粘结相除具有促进合金烧结全致密化的功能外，还赋予了合金韧性与强度，但也使其耐腐蚀性能、耐高温性能、耐磨性能、热导率等降低，因而使其应用领域受到一定限制。无金属粘结相硬质合金，简称无粘结相硬质合金，属于一类特殊的硬质合金，可分为两大系列，一类为纯WC系列和以难熔金属碳化物固溶体为粘结相系列，另一类为某些文献中提到的“无粘结相” WC硬质合金，指的是金属粘结相质量分数彡I %。由于具有较传统硬质合金更高的硬度、耐磨性与耐腐蚀性，通过精密抛光，其表面粗糙度可达< 15nm，无粘结相硬质合金可用作特种密封材料、高压介质喷嘴材料、滑动材料、精密模具材料、高耐磨材料等。无粘结相WC硬质合金正成为高耐磨硬质合金的一个重要发展方向。然而，纯WC的熔点高达2860°C，制备全致密化的无粘结相WC硬质合金的烧结温度非常高，在烧结过程中容易发生WC晶粒的异常长大。在现有技术中，制备无粘结相WC硬质合金的研究主要集中在制备不添加任何粘结剂的纯WC硬质合金和制备配碳的纯WC硬质合金方面，制备过程存在如下问题1、烧结温度过高，烧结时间较长，制备全致密化的纯WC硬质合金的烧结温度在1800°C以上；2、制备的合金存在WC晶粒异常长大的现象，无法制备出超细晶的无粘结相WC硬质合金；3、由于不含任何粘结剂，制备的合金强度和断裂韧性非常低。迄今为止，尚未见采用放电等离子烧结制备添加微量Co的无粘结相WC硬质合金的报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种具有优良综合性能的含微量Co的无粘结相WC硬质合金。本发明的另一个目的还在于通过合理的成分设计和优化制备工艺相结合，提供一种能进一步改善材料的综合性能、工艺简便、烧结温度低、烧结时间短的含微量Co的无粘结相WC硬质合金的制备方法。本发明的目的可以通过如下措施来实现—种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金，其特征在于该合金的组分及其质量百分比含量如下Co 0. 20-1. 00%, Cr3C2 :0. 01-0. 50%, VC :0. 01-0. 50%，余量为晶粒尺寸0. 2-0. 8 u m W。一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于该方法采用放电等离子烧结技术，具体包括如下步骤及其工艺条件步骤一碳化钨基硬质合金粉末的成分设计将原料碳化钨、钴、碳化铬和碳化钒粉末按下述质量百分比用量进行配比Co 0. 20-1. 00%, Cr3C2 0. 01-0. 50%, VC :0. 01-0. 50%，余量为晶粒尺寸 0. 2-0. 8 u m WC ；步骤二 高能球磨按上述原料粉末质量百分比用量投料进行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸细化至小于200nm ；步骤三放电等离子烧结球磨粉末将高能球磨后的硬质合金粉末装入放电等离子烧结模具，采用放电等离子快速烧结，烧结工艺条件如下烧结压力30 5OMPa烧结加热速率100 200°C /min 烧结温度1500 1700°C烧结保温时间1 5min烧结真空度彡6Pa经快速烧结获得一种组织细小、均匀的含微量钴的超细晶无粘结相碳化钨硬质合金。本发明与现有技术相比，具有以下优点I、本发明碳化钨基硬质合金粉末的成分设计合理，又由于添加微量Co，大大降低了烧结温度，显著地加速了烧结致密化进程，缩短了烧结时间，整个烧结过程可短到只有几分钟；并且降低制备全致密化无粘结相WC硬质合金的烧结温度，从而大大节约了能源，在节约能源，提高生产效率方面有极为重要的意义。2、制备过程中无需压制成型，不添加任何烧结助剂，简化了工艺流程。3、本发明烧结过程中，部分WC颗粒间存在液相Co膜，加强了颗粒间的连接强度，提高了合金的韧性，能够获得具有优异综合性能的超细晶的无粘结相WC硬质合金。4、本发明粉末均匀发热，升温、降温速度快，烧结温度低、时间短，可以抑制晶粒长大，烧结后的块体晶粒尺寸细小均匀。具体实施形式通过如下实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。实施例I一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，该方法采用放电等离子烧结技术，具体包括如下步骤及其工艺条件步骤一碳化钨基硬质合金粉末的成分设计将WC、Co、Cr3C2, VC粉末按下述质量百分比用量进行配比晶粒尺寸为0. 2 ii m的WC 98. 70% ；Co 0. 50%, Cr3C2 :0. 50%, VC :0. 30% ；步骤二 高能球磨按步骤一所述碳化钨基硬质合金粉末配比的粉末原料置于行星式球磨机中进行高能球磨，球磨罐和磨球材质采用WC硬质合金，球磨介质为乙醇，球料比为5 I，球磨速度为200r/min，并采用高纯Ar气作为保护气氛，球磨40小时后WC粉末晶粒平均尺寸已细化至约150nm ；步骤三放电等离子烧结球磨粉末取高能球磨后的硬质合金球磨粉末30g装入直径为0 20mm的石墨烧结模具中进行放电等离子烧结，其中烧结压力为50MPa，烧结温度为1500°C，烧结加热速率为200°C /min，烧结保温时间为5min，烧结真空度为6Pa。快速烧结后获得一种组织细小、均匀、WC平均晶粒尺寸约350nm的含微量钴的超细晶无粘结相碳化钨硬质合金块体材料，该样品的相对密度达到98. 67%，硬度为2368HV1(I，抗弯强度为985MPa，断裂韧性为7. 54MPa m1/2。实施例2
一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，该方法采用放电等离子烧结技术，具体包括如下步骤及其工艺条件步骤一碳化钨基硬质合金粉末的成分设计将WC、Co、Cr3C2, VC粉末按下述质量百分比用量进行配比晶粒尺寸为0. 2 ii m的WC 98. 69% ；Co 0. 80%, Cr3C2 :0. 01%, VC :0. 50% ；步骤二 高能球磨按步骤一所述碳化钨基硬质合金粉末配比的用量，将粉末原料置于行星式球磨机中进行高能球磨，球磨罐和磨球材质采用WC硬质合金，球磨介质为乙醇，球料比为5 1，球磨速度为200r/min，并采用高纯Ar气作为保护气氛，球磨40小时后WC粉末晶粒平均尺寸已细化至约150nm ；步骤三放电等离子烧结球磨粉末取高能球磨后的硬质合金球磨粉末30g，装入直径为0 20mm的石墨烧结模具中进行放电等离子烧结，其中烧结压力为50MPa，烧结温度为1500°C，烧结加热速率为200°C /min，烧结保温时间为5min，烧结真空度为5Pa。快速烧结后获得一种组织细小、均匀、WC平均晶粒尺寸约380nm的含微量钴的超细晶无粘结相碳化钨硬质合金块体材料，该样品的相对密度达到99. 41%，硬度为2546HV1(I，抗弯强度为1146MPa，断裂韧性为8. OlMPa m1/2。实施例3一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，该方法采用放电等离子烧结技术，具体包括如下步骤及其工艺条件步骤一碳化钨基硬质合金粉末的成分设计将WC、Co、Cr3C2、VC粉末按下述质量百分比用量进行配比晶粒尺寸为0. 4 ii m的WC 99. 00% ；Co 0. 20%, Cr3C2 :0. 50%, VC :0. 30% ；步骤二 高能球磨按步骤一所述碳化钨基硬质合金粉末配比的用量，将粉末原料置于行星式球磨机中进行高能球磨，球磨罐和磨球材质采用WC硬质合金，球磨介质为乙醇，球料比为5 1，球磨速度为200r/min，并采用高纯Ar气作为保护气氛，球磨50小时后WC粉末晶粒平均尺寸已细化至约170nm ；步骤三放电等离子烧结球磨粉末取高能球磨后的硬质合金球磨粉末30g，装入直径为0 20mm的石墨烧结模具中进行放电等离子烧结，其中烧结压力为40MPa，烧结温度为1700°C，烧结加热速率为150°C /min，烧结保温时间为lmin，烧结真空度为4Pa。快速烧结后获得一种组织细小、均匀、WC平均晶粒尺寸约410nm的含微量钴的超细晶无粘结相碳化钨硬质合金块体材料，该样品的相对密度达到99. 53%，硬度为2605HV1(I，抗弯强度为1027MPa，断裂韧性为7. 83MPa m1/2。实施例4
一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，该方法采用放电等离子烧结技术，具体包括如下步骤及其工艺条件步骤一碳化钨基硬质合金粉末的成分设计将WC、Co、Cr3C2, VC粉末按下述质量百分比用量进行配比晶粒尺寸为0. 8 ii m的WC 98. 69% ；Co 1. 00%, Cr3C2 0. 30%, VC 0. 01% ；步骤二 高能球磨按步骤一所述碳化钨基硬质合金粉末配比的用量，将粉末原料置于行星式球磨机中进行高能球磨，球磨罐和磨球材质采用WC硬质合金，球磨介质为乙醇，球料比为5 1，球 磨速度为200r/min，并采用高纯Ar气作为保护气氛，球磨60小时后WC粉末晶粒平均尺寸已细化至约180nm ；步骤三放电等离子烧结球磨粉末取高能球磨后的硬质合金球磨粉末30g，装入直径为0 20mm的石墨烧结模具中进行放电等离子烧结，其中烧结压力为30MPa，烧结温度为1550°C，加热速率为100°C /min,保温时间为3min，真空度为6Pa。快速烧结后获得一种组织细小、均匀、WC平均晶粒尺寸约400nm的含微量钴的超细晶无粘结相碳化钨硬质合金块体材料，该样品的相对密度达到99. 92%，硬度为251 IHVltl，抗弯强度为1225MPa，断裂韧性为8. 22MPa m1/2。
权利要求
1.一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金，其特征在于该合金的组分及其质量百分比含量如下Co 0. 20-1. 00%, Cr3C2 :0. 01-0. 50 %, VC :0. 01-0. 50%，余量为晶粒尺寸O. 2-0. 8 μ m W。
2.一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于该方法采用放电等离子烧结技术，具体包括如下步骤及其工艺条件 步骤一碳化钨基硬质合金粉末的成分设计 将原料碳化钨、钴、碳化铬和碳化钒粉末按下述质量百分比用量进行配比Co O. 20-1. 00%, Cr3C2 :0. 01-0. 50%, VC :0. 01-0. 50%，余量为晶粒尺寸 O. 2-0. 8 μ m WC ； 步骤二 高能球磨 按上述原料粉末质量百分比用量投料进行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸细化至小于200nm ； 步骤三放电等离子烧结球磨粉末 将高能球磨后的硬质合金粉末装入放电等离子烧结模具，采用放电等离子快速烧结，烧结工艺条件如下 烧结压力30 5OMPa 烧结加热速率100 200°C /min 烧结温度1500 1700°C 烧结保温时间1 5min 烧结真空度<6Pa 经快速烧结获得一种组织细小、均匀的含微量钴的超细晶无粘结相碳化钨硬质合金。
全文摘要
本发明属于粉末冶金烧结成形领域，具体是指一种含微量钴的无粘结相碳化钨硬质合金及其制备方法。硬质合金的组分及其质量百分比含量如下Co0.20-1.00％，Cr3C20.01-0.50％，VC0.01-0.50％，余量为晶粒尺寸0.2-0.8μmWC。该制备方法包括先按上述原料粉末配比投料进行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸细化至小于200nm；再采用放电等离子快速烧结高能球磨后的硬质合金粉末。本发明碳化钨基硬质合金粉末的成分设计合理，制备方法简单；粉末发热均匀，升温、降温速度快，烧结温度低、时间短，大大节约了能源；获得的无粘结相超细晶WC硬质合金具有优异综合性能。
文档编号C22C29/08GK102628138SQ20121008295
公开日2012年8月8日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者张文, 李元元, 李小峰, 林小为, 肖志瑜 申请人:华南理工大学