一种晶粒度小于200纳米的硬质合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种晶粒度小于200纳米的硬质合金，其组分及质量百分比为：WC93%～83%，Co6%～15%，VC0.3%～0.5%，Cr3C20.5%～1.0%，合金中WC晶粒度小于200纳米；其制备包括：按重量百分比称量配料，WC93%～83%，Co6%～15%，VC0.3%～0.5%，Cr3C20.5%～1.0%，且WC的BET≤0.16um，Co粉Fsss粒度≤0.7um，VC和Cr3C2的Fsss粒度≤0.8um；球磨，球料比为6:1～7:1，酒精介质400～500ml/Kg，加入分散剂吐温-80为0.1～0.6%，成型剂石蜡或PEG为2.0%，球磨转速为63rpm，球磨时间90～120小时；喷雾干燥；压制；压力烧结，烧结温度1320～1360°C，保温时间40～80min，压力70～95bar；获得WC晶粒度小于200纳米的硬质合金HV≥1900，抗弯强度≥4500N/mm2，在硬度得到保证的同时大大改善了韧性，而且工艺控制简单、成本低。
【专利说明】—种晶粒度小于200纳米的硬质合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于硬质合金制备【技术领域】，主要是涉及晶粒度小于200纳米(即硬质合金中碳化钨晶粒度小于200纳米)的硬质合金的制备。
【背景技术】
[0002]纳米硬质合金是在Gurland的硬质合金强度与钴相平均自由程关系模型的基础上发展起来的。减小WC的晶粒尺寸，将增大碳化物的接触数量？，而以分布高度均匀的钴作粘结相，可以得到强度、硬度和韧性均好的合金。尤其当WC的晶粒尺寸减小到纳米级时，其各项性能指标将得到进一步的提高，从而成为解决硬质合金材料强度、韧性和硬度间矛盾的一种重要方法，纳米结构合金具有均匀的显微结构，无异常长大的晶粒，且碳化物晶粒之间钴相均匀分布，从而使纳米结构硬质合金具有优异的抗裂性和耐磨性。
[0003]纳米硬质合金由于具有较好的综合性能，不仅硬度高、耐磨性好，而且具有很高的强度和韧性，其应用领域正在不断扩大，己广泛用于制造微型钻、精密工模具和难切削加工领域，纳米硬质合金的开发是硬质合金领域的一次重大技术革命，为机械制造、信息技术等相关行业的发展奠定了坚实的基础。研制纳米晶硬质合金，进一步提高其硬度并改善其韧性，是硬质合金材料力学性能走向实际应用的最佳突破口和着陆点。
[0004]浙江大学的专利号为98110950.0的专利“纳米碳化钨一钴一碳化钛一碳化钒硬质合金的制造方法及设备” ，介绍了一种使用W O 3、C O O、T i O 2、V 2 O 5纳米粒子混合粉体，在C2H2气氛中直接碳化为WC — C O-T i C 一V C纳米硬质合金粉体。这种制备方法虽然能制备出纳米硬质合金，但存在工艺控制复杂，成本较高。
[0005]重庆文理学院的专利号为201210278750.6的专利“一种含球形面心立方结构钴粉的纳米硬质合金材料及其制备方法”，介绍了采用平均粒径200~300nm球形面心立方结构钴粉，其含量为12wt%~14wt%，平均粒200~300nm的碳化钨含量为65wt%~70wt%，平均粒径300~400nm碳化钨-碳化鈦-碳化钒-碳化钽-碳化鉻固溶体粉末含量为16wt%~23wt%，以及适量的活性及表面分散剂，结合密闭惰性气体保护高速球磨、喷雾干燥及过压烧结，最终获得同时具有高硬度高强度的“双高”硬质合金材料。但其制备的合金的HRA硬度最高仅为92，HV硬度为1800，平均晶粒度为250纳米。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种晶粒度小于200纳米的硬质合金及其的制备方法，其HV硬度^ 1900，抗弯强度> 4500 N/mm2，在硬度得到保证的同时大大改善了韧性，而且工艺控制简单、成本低。
[0007]本发明的一种晶粒度小于200纳米的硬质合金，其组分及质量百分比为:WC93% ~83%, Co 6% ~15%, VC 0.3% ~0.5%, Cr3C2 0.5% ~1.0%，合金中 WC 晶粒度小于 200纳米。
[0008]作为优化，其组分及质量百分比为:WC 91.05%, Co 8%’VC 0.3%,Cr3C2 0.65%，合金中WC晶粒度160纳米。
[0009]优化二，其组分及质量百分比为:WC 89.85%，Co 9%，VC 0.4%，Cr3C2 0.75%，合金中WC晶粒度150纳米。
[0010]优化三，其组分及质量百分比为=WC 93.15%，Co 6%, VC 0.35%，Cr3C2 0.5%，合金中WC晶粒度150纳米。
[0011]优化四，其组分及质量百分比为=WC 84.5%，Co 14%，VC 0.5%，Cr3C2 1.0%，合金中WC晶粒度170纳米。
[0012]其制备方法，依次包括:
(1)配料，按重量百分比称量各粉末原料-WC 93%~83%，Co 6%~15%，VC 0.3%~
0.5%, Cr3C2 0.5%~1.0%，其中原料粉末WC的BET值≤0.16um, Co粉的Fsss粒度≤0.7um,VC 和 Cr3C2 的 Fsss 粒度< 0.8um ；
(2)球磨，将称好的粉末原料放入球磨机中，其球料比为6:1~7:1，按每公斤原料粉末总质量加入酒精400~500ml ;按原料粉末总质量的0.1~0.6%加入分散剂吐温_80 ;按原料粉末总质量的2.0%加入成型剂石蜡或PEG ;球磨转速为63转/min，球磨时间为90~120小时；
(3)球磨后将料浆卸出，进行喷雾干燥；
(4)将喷雾干燥后的混合料进行压制；
(5)将压坯放入压力炉中，进行压力烧结，烧结温度为1320~1360°C，保温时间为40~80min，压力为70~95bar ;获得WC晶粒度小于200纳米的硬质合金。
[0013]与现有技术相比，本发明的工艺简单，能够低成本获得晶粒度小于200纳米的纳米硬质合金，同时其HV硬度> 1900、最高可达2300，抗弯强度> 4500 N/mm2、最高可达5000N/mm2,在硬度得到保证的同时大大改善了韧性，使用寿命有明显提高。。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是实施例1制备的晶粒度小于200纳米的硬质合金的电镜照片；
图2是实施例2制备的晶粒度小于200纳米的硬质合金的电镜照片；
图3是实施例3制备的晶粒度小于200纳米的硬质合金的电镜照片；
图4是实施例4制备的晶粒度小于200纳米的硬质合金的电镜照片。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例对本发明做进一步说明。
[0016]实施例1:称取Fsss粒度为0.6um的超细钴粉80g，Fsss粒度为0.8um的超细碳化IJi 3.0g, Fsss粒度为0.8um的超细碳化铬6.5g, BET为0.15um的纳米碳化鹤910.5g。再称取3g吐温-80作为分散剂，20gPEG作为成型剂。将以上原料加入滚动球磨机中，以酒精为研磨介质，加入量为450ml，即按每公斤原料粉末总质量加入酒精450ml，以硬质合金棒作为研磨体，球料比为6:1。球磨机转速为63转/min，球磨时间为100小时。球磨时间到后，将料浆卸出，喷雾干燥后制得粒子均匀，流动性良好的混合料。将混合料模压成型。将压坯放入压力炉中，进行压力烧结，烧结温度为1350° C，保温时间为60min，压力为90bar。
[0017]对烧结后的产品进行检测，合金中WC的晶粒度平均为0.16um (即160纳米)，合金电镜照片如图1，HV硬度为2200，抗弯强度为4900 N/mm2。
[0018]实施例2:
称取Fsss粒度为0.7um的超细钴粉90g，FSSS粒度为0.6um的超细碳化钒4.0g7Fsss粒度为0.7um的超细碳化铬7.5g，BET为0.13um的纳米碳化钨898.5g。再称取4g吐温-80作为分散剂，20g石蜡作为成型剂。将以上原料加入滚动球磨机中，以酒精为研磨介质，加入量为460ml,以硬质合金棒作为研磨体,球料比为7:1。球磨机转速为63转/min,球磨时间为90小时。球磨时间到后，将料浆卸出，喷雾干燥后制得粒子均匀，流动性良好的混合料。将混合料模压成型。将压坯放入压力炉中，进行压力烧结，烧结温度为1340° C，保温时间为5Omin,压力为85bar。
[0019]对烧结后的产品进行检测，合金中WC的晶粒度平均为0.15um (即150纳米)，合金电镜照片如图2，HV硬度为2180，抗弯强度为5000 N/mm2。
[0020]实施例3
称取Fsss粒度为0.5um的超细钴粉60g，FSSS粒度为0.5um的超细碳化钒3.5g,Fsss粒度为0.6um的超细碳化铬5.0g7BET为0.12um的纳米碳化钨931.5g。再称取Ig吐温-80作为分散剂，20gPEG作为成型剂。将以上原料加入滚动球磨机中，以酒精为研磨介质,加入量为470ml,以硬质合金棒作为研磨体,球料比为6:1。球磨机转速为63转/min,球磨时间为110小时。球磨时间到后，将料浆卸出，喷雾干燥后制得粒子均匀，流动性良好的混合料。将混合料模压成型。将压坯放入压力炉中，进行压力烧结，烧结温度为1360° C，保温时间为8Omin,压力为95bar。
[0021]对烧结后的产品进行检测，合金中WC的晶粒度平均为0.15um (即150纳米)，合金电镜照片如图3，HV硬度为2300，抗弯强度为4500 N/mm2。
[0022]实施例4
称取Fsss粒度为0.6um的超细钴粉140g，Fsss粒度为0.5um的超细碳化钒5.0g, Fsss粒度为0.5um的超细碳化铬10.0g, BET为0.16um的纳米碳化钨845.0go再称取6g吐温-80作为分散剂，20g石蜡作为成型剂。将以上原料加入滚动球磨机中，以酒精为研磨介质，加入量为490ml,以硬质合金棒作为研磨体,球料比为7:1。球磨机转速为63转/min,球磨时间为95小时。球磨时间到后，将料浆卸出，喷雾干燥后制得粒子均匀，流动性良好的混合料。将混合料模压成型。将压坯放入压力炉中，进行压力烧结，烧结温度为1320° C，保温时间为40min,压力为70bar。
[0023]对烧结后的产品进行检测，合金中WC的晶粒度平均为0.17um (即170纳米)，合金电镜照片如图4，HV硬度为1900，抗弯强度为5000 N/mm2。
【权利要求】
1.一种晶粒度小于200纳米的硬质合金，其组分及质量百分比为:WC 93%~83%，Co6%~15%, VC 0.3%~0.5%, Cr3C2 0.5%~1.0%,合金中WC晶粒度小于200纳米。
2.根据权利要求1所述的晶粒度小于200纳米的硬质合金，其组分及质量百分比为:WC 91.05%, Co 8%, VC 0.3%, Cr3C2 0.65%，合金中 WC 晶粒度 160 纳米。
3.根据权利要求1所述的晶粒度小于200纳米的硬质合金，其组分及质量百分比为:WC 89.85%, Co 9%, VC 0.4%, Cr3C2 0.75%，合金中 WC 晶粒度 150 纳米。
4.根据权利要求1所述的晶粒度小于200纳米的硬质合金，其组分及质量百分比为:WC 93.15%, Co 6%, VC 0.35%, Cr3C2 0.5%，合金中 WC 晶粒度 150 纳米。
5.根据权利要求1所述的晶粒度小于200纳米的硬质合金，其组分及质量百分比为:WC 84.5%, Co 14%, VC 0.5%, Cr3C2 1.0%，合金中 WC 晶粒度 170 纳米。
6.根据权利要求1所述的晶粒度小于200纳米的硬质合金的制备方法，依次包括: (1)配料，按重量百分比称量各粉末原料-WC 93%~83%，Co 6%~15%，VC 0.3%~0.5%, Cr3C2 0.5%~1.0%，其中原料粉末WC的BET值≤0.16um, Co粉的Fsss粒度≤0.7um,VC 和 Cr3C2 的 Fsss 粒度< 0.8um ； (2)球磨，将称好的粉末原料放入球磨机中，其球料比为6:1~7:1，按每公斤原料粉末总质量加入酒精400~500ml ;按原料粉末总质量的0.1~0.6%加入分散剂吐温_80 ;按原料粉末总质量的2.0%加入成型剂石蜡或PEG ;球磨转速为63转/min，球磨时间为90~120小时； (3)球磨后将料浆卸出，进行喷雾干燥； (4)将喷雾干燥后的混合料进行压制； (5)将压坯放入压力炉中，进行压力烧结，烧结温度为1320~1360°C，保温时间为40~80min，压力为70~95bar ;获得WC晶粒度小于200纳米的硬质合金。
【文档编号】C22C29/08GK103614603SQ201310652996
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】袁军文, 颜练武, 杨金海 申请人:株洲硬质合金集团有限公司