一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，是以纳米碳化钨（WC）粉、超细钴（Co）粉、超细碳化钒（VC）粉和超细碳化铬（Cr3C2）粉作为原料粉，利用酒精湿磨工艺，经真空烧结与热等静压烧结，制备出WC-Co纳米晶硬质合金，采用上述方法制备出的纳米晶硬质合金，WC晶粒组织完善且清晰可见，采用ISO4499-2规定的方法测量计算200颗以上WC晶粒取平均值，计算得到WC平均晶粒小于150nm，硬度HV30为1900以上、强度TRS为4000MPa以上、金相组织为A02B00C00。具有工艺简单，过程控制简便，生产成本低，制备出的纳米晶硬质合金致密化程度高，性能优异的特点。
【专利说明】—种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及硬质合金材料制造【技术领域】，特别是涉及一种高性能WC-C0纳米晶硬质合金的制备方法。
【背景技术】
[0002]围绕细化晶粒，制取超细及纳米结构硬质合金的研究开发，是当今世界硬质合金【技术领域】中的一大热点。目前实现批量生产的硬质合金最细晶粒为0.2μπι。
[0003]纳米硬质合金制备过程中，采用高质量纳米原料粉末是非常关键的环节。纳米粉体的制备方法很多，理论上说，任何能制造精细晶粒尺寸多晶体的方法都可以用来制造纳米粉体。实验室通常采用机械合金化法、固定床反应法、喷雾干燥-流化床法等来制备纳米WC粉或WC-Co复合粉末，但因为容易引入杂质、或工艺过于复杂、或受设备限制，可以工业化生产复合粉的只有喷雾干燥-流化床法，这种方法的缺陷是不能自由配Co，造成合金成分单一。
[0004]对纳米硬质合金坯材来说，烧结工序将决定合金质量的优劣。由于纳米原料粉末系统具有非常大的表面能，在传统液相烧结过程中，为减少系统表面能，WC晶粒将迅速长大，因此许多学者研究了纳米硬质合金的微波烧结、快速热压烧结、放电等离子烧结等烧结技术，目的是加快烧结速率，缩短烧结时间，降低烧结温度，以控制WC晶粒的长大，但这将导致烧结过程不够充分、合金晶粒发育不够完善，无法实现工业应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，是以纳米WC粉、超细Co`粉、VC粉和Cr3C2粉作为原料粉，利用酒精湿磨工艺，经真空烧结与热等静压烧结，从而制备出晶粒度小于150纳米的高性能纳米晶硬质合金，具有工艺简单，过程控制简便，生产成本低，制备出的纳米晶硬质合金致密化程度高，性能优异的特点。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，包括如下步骤:
[0007]Α.混合料制取步骤；该步骤是选用平均粒度小于400nm的WC粉、平均粒度小于1.5um的Co粉、平均粒度小于1.5um的VC粉和平均粒度小于1.5um的Cr3C2粉为原料，其中，Co粉占总原料的3wt%~30wt%，VC粉占总原料的Owt%~2.0wt%, Cr3C2粉占总原料的Owt%~2.0wt%,余量为WC粉；并外加石蜡做成形剂，且石蜡的添加量为所述总原料的
0.5wt%~3.5wt% ;然后，以无水酒精作介质在滚动式球磨机中进行湿磨，硬质合金研磨球与固体原料的球料比为2:1~10:1，无水酒精与固体原料的液固比为100~600mL/kg ;球磨30~120小时后进行真空干燥制备成混合料；
[0008]B.压制步骤；将上一步骤制成的混合料压制成压坯；其中，压制压力为100~250MPa ；[0009]C.烧结步骤；将上一步骤制成的压坯烧结成WC-Co纳米晶硬质合金。
[0010]进一步的，所述混合料制取步骤还包括将混合料过80目筛网。
[0011]进一步的，在混合料过80目筛网后，还包括将混合料放入制粒机中滚动3~15分钟进行制粒处理。
[0012]所述的压制步骤是将上一步骤制备好的混合料压制成圆棒形压坯。
[0013]所述的烧结步骤是先将压制好的压坯进行真空烧结，烧结温度控制在1000~1400°C，保温时间控制在0.5~2小时，然后再进行热等静压烧结，烧结温度控制在1200~1400°C，保温时间控制在0.5~2小时，烧结压力控制在50~200MPa。
[0014]本发明的一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，是采用紫钨原位还原法生产，以纳米碳化钨(WC)粉、超细钴(Co)粉、超细碳化钒(VC)粉和超细碳化铬(Cr3C2)粉作为原料粉，利用酒精湿磨工艺，经真空烧结与热等静压烧结，制备出WC-Co纳米晶硬质合金，采用上述方法制备出的纳米晶硬质合金，WC晶粒组织完善且清晰可见，采用IS04499-2规定的方法测量计算200颗以上WC晶粒取平均值，计算得到WC平均晶粒小于150nm，硬度HV30为1900以上、强度TRS为4000MPa以上、金相组织为A02B00C00。
[0015]本发明的有益效果是，由于采用了以纳米碳化钨(WC)粉、超细钴(Co)粉、超细碳化钒(VC)粉和超细碳化铬(Cr3C2)粉作为原料粉，并利用酒精湿磨工艺，经真空烧结与热等静压烧结，来制备出WC-Co纳米晶硬质合金，与现有技术相比较，具有如下有益效果:
[0016]实验室制备纳米硬质合金方法基本为:采用机械合金法、热化学合成法等制备纳米WC或WC-Co复合粉，采用微波烧结、低温热压烧结、放电等离子烧结等工艺实现合金致密化，但这种快速烧结往往难以实现真正的合金致密化，组织结构不佳，合金性能不高，不能实现工业化应用；
[0017]本发明方法制备纳米晶硬质合金时，原料粉末均由工业化生产获得，采用酒精石蜡湿磨、真空烧结与热等静压烧结工艺，整个工艺技术路线紧凑、设备衔接紧密，易于实现工业化批量生产。制备的纳米晶硬质合金致密化程度高，性能优异，WC晶粒组织完善、清晰可见，WC晶粒尺寸小于150纳米。具有工艺简单，过程控制简便，生产成本低，制备出的纳米晶硬质合金致密化程度高，性能优异的特点。
[0018]以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法不局限于实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是实施例一本发明的WC粉的扫描电镜照片；
[0020]图2是实施例一本发明的Co粉的扫描电镜照片；
[0021]图3是实施例一本发明的纳米晶硬质合金的扫描电镜照片；
[0022]图4是实施例二本发明的纳米晶硬质合金的扫描电镜照片；
[0023]图5是实施例三本发明的纳米晶硬质合金的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0024]实施例一，
[0025]参见图1至图3所示，本发明的一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，包括如下步骤:
[0026]A.混合料制取步骤:选用平均粒径为70nm的WC (碳化钨)粉(如图1所示)，添加平均粒径为0.Sum的Co (钴)粉(如图2所示)、平均粒径I μ m的VC (碳化钒)粉和平均粒径I μ m的Cr3C2 (碳化铬)粉为原料，其中，Co粉占总原料的12wt%，VC粉占总原料的0.50wt%,Cr3C2粉总原料的0.5wt%，余量为纳米WC粉，以上四种粉(WC粉、Co粉、VC粉和Cr3C2粉)构成总原料；外加石蜡做成形剂，且石蜡的添加量为上述总原料的2wt% ;然后，以无水酒精作介质在滚动式球磨机中进行湿磨混合,硬质合金研磨球与固体原料的球料比为4:1，无水酒精与固体原料的液固比为300mL/kg ;球磨60小时后进行真空干燥；过80目筛后,在制粒机中滚动3分钟制备成混合料；
[0027]B.压制步骤:将上一步骤中制备好的混合料压制成圆棒形压坯，其中压制压力为150MPa ；
[0028]C.烧结步骤:将压制好的压坯进行真空烧结，烧结温度控制在1250°C，保温时间控制在I小时，再进行热等静压烧结，烧结温度控制在1350°C，保温时间控制在0.5小时，烧结压力控制在150MPa。
[0029]采用上述方法制备出纳米晶硬质合金，采用IS04499-2规定的方法测量计算得到WC平均晶粒131nm，见图3，硬度HV30为2002、强度TRS为4172MPa、金相组织为A02B00C00。
[0030]实施例二，
[0031]参见图4所示，本发明的一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，包括如下步骤:
[0032]A.混合料制取步骤:选用平均粒径为IOOnm的WC粉，添加平均粒径为0.8um的Co粉、平均粒径I μ m的VC粉末和平均粒径I μ m的Cr3C2粉为原料，其中，Co粉占总原料的13wt%, VC粉占总原料的1.3wt%, Cr3C2粉总原料的0.9wt%，其余为纳米WC粉；外加石蜡做成形剂，且石蜡的添加量为上述总原料的2wt% ;然后，以无水酒精作介质在滚动式球磨机中进行湿磨混合，硬质合金研磨球与固体原料的球料比为5.5:1，无水酒精与固体原料的液固比为350mL/kg ;球磨80小时后进行真空干燥；过80目筛后，在制粒机中滚动3分钟制备成混合料；
[0033]B.压制步骤:将上一步骤中制备好的混合料压制成圆棒形压坯，其中压制压力为180MPa ；
[0034]C.烧结步骤:将压制好的压坯进行真空烧结，烧结温度控制在1280°C，保温时间控制在0.5小时，再进行热等静压烧结，烧结温度控制在1340°C，保温时间控制在I小时，烧结压力控制在150MPa。
[0035]采用上述方法制备出纳米晶硬质合金，WC平均晶粒149nm，见图4，硬度HV30为1920、强度 TRS 为 4015MPa、金相组织为 A02B00C00。
[0036]实施例三，
[0037]参见图5所示，本发明的一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，包括如下步骤:
[0038]A.混合料制取步骤:选用平均粒径为200nm的WC粉末，添加平均粒径为0.6um的Co粉、平均粒径I μ m的VC粉末和平均粒径I μ m的Cr3C2粉末为原料，其中，Co粉占总原料的10wt%，VC粉占总原料的0.45wt%, Cr3C2粉末总原料的0.6wt%,其余为纳米WC粉；外加石蜡做成形剂，且石蜡的添加量为上述总原料的2wt% ;然后，以无水酒精作介质在滚动式球磨机中进行湿磨混合，硬质合金研磨球与固体原料的球料比为7:1，无水酒精与固体原料的液固比为400mL/kg ;球磨100小时后进行真空干燥；过80目筛后,在制粒机中滚动8分钟制备成混合料；
[0039] B.压制步骤:将上一步骤中制备好的混合料压制成圆棒形压坯，其中压制压力为200MPa ；
[0040]C.烧结步骤:将压制好的压坯进行真空烧结，烧结温度控制在1280°C，保温时间控制在I小时，再进行热等静压烧结，烧结温度控制在1350°C，保温时间控制在I小时，烧结压力控制在120MPa。
[0041]采用上述方法制备出纳米晶硬质合金，WC平均晶粒152nm，见图5，硬度HV30为2058、强度 TRS 为 4018MPa、金相组织为 A02B00C00。
[0042]本发明的一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，是采用紫钨原位还原法生产，以纳米碳化钨(WC)粉、超细钴(Co)粉、超细碳化钒(VC)粉和超细碳化铬(Cr3C2)粉作为原料粉，利用酒精湿磨工艺，经真空烧结与热等静压烧结，制备出WC-Co纳米晶硬质合金，采用上述方法制备出的纳米晶硬质合金，WC晶粒组织完善且清晰可见，采用IS04499-2规定的方法测量计算200颗以上WC晶粒取平均值，计算得到WC平均晶粒小于150nm，硬度HV30为1900以上、强度TRS为4000MPa以上、金相组织为A02B00C00。
[0043]上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种高性能WC-C0纳米晶硬质合金的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: A.混合料制取步骤；该步骤是选用平均粒度小于400nm的WC粉、平均粒度小于1.5um的Co粉、平均粒度小于1.5um的VC粉和平均粒度小于1.5um的Cr3C2粉为原料，其中，Co粉占总原料的3wt%~30wt%, VC粉占总原料的Owt%~2.0wt%, Cr3C2粉占总原料的Owt%~2.0wt%,余量为WC粉；并外加石蜡做成形剂，且石蜡的添加量为所述总原料的0.5wt%~3.5wt% ;然后，以无水酒精作介质在滚动式球磨机中进行湿磨，硬质合金研磨球与固体原料的球料比为2:1~10:1，无水酒精与固体原料的液固比为100~600mL/kg ;球磨30~120小时后进行真空干燥制备成混合料； B.压制步骤；将上一步骤制成的混合料压制成压坯；其中，压制压力为100~250MPa； C.烧结步骤；将上一步骤制成的压坯烧结成WC-Co纳米晶硬质合金。
2.根据权利要求1所述的高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，其特征在于:进一步的，所述混合料制取步骤还包括将混合料过80目筛网。
3.根据权利要求2所述的高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，其特征在于:进一步的，在混合料过80目筛网后，还包括将混合料放入制粒机中滚动3~15分钟进行制粒处理。
4.根据权利要求1所述的高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，其特征在于:所述的压制步骤是将上一步骤制备好的混合料压制成圆棒形压坯。
5.根据权利要求1所述的高性能WC-Co纳米晶硬质合金的制备方法，其特征在于:所述的烧结步骤是先将压制好`的压坯进行真空烧结，烧结温度控制在1000~1400°C，保温时间控制在0.5~2小时，然后再进行热等静压烧结，烧结温度控制在1200~1400°C，保温时间控制在0.5~2小时，烧结压力控制在50~200MPa。
【文档编号】C22C1/05GK103627942SQ201310090726
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年3月20日 优先权日:2013年3月20日
【发明者】吴冲浒, 谢海唯, 郑爱钦, 肖满斗, 项忠楠, 谢颖 申请人:厦门钨业股份有限公司