一种以WC-Co复合粉末为原料采用干袋等静压与低压烧结制备超硬硬质合金棒材的方法与流程

本发明涉及一种超硬硬质合金棒材的制备方法，采用该方法制备的超硬硬质合金棒材加工成非标钻头或铣刀，用于汽车工业专用刀具。

背景技术：

汽车工业是专用刀具应用最多的行业，也是衡量一个国家或一个刀具公司技术水平高低的标志。我国的汽车生产线(特别是轿车生产线)大部分是从国外引进的，而刀具主要是随设备一起进口的。目前，国内的汽车生产线有美国型、欧洲型和日韩型，以及以欧洲设备为主的自主型。在中国就活跃着五大刀具派系：一是山特系(包括山高)，山特维克公司有着庞大而复杂的刀具分支，在中国市场销量最大；二是美国系，主要以肯纳、英格索尔、万耐特等为代表；三是欧洲系，主要以德国为主，包括MAPAL、Guehring、Widia、TITEX、瓦尔特等；四是日韩系，包括三菱、住友、东芝、OSG、黛杰、不二越、日立等，以及韩国的Taegutec、KORLOY公司；五是以色列系，主要是ISCAR(伊斯卡)。这些公司几乎填满了汽车刀具的市场空间。在一些大型汽车制造厂，国产化刀具可能只占总项目的10％左右，因此，进口刀具仍占有主导地位。

发动机是汽车的心脏，其零件制造工艺水平普遍高于其它汽车零件。发动机作为汽车的核心零部件，不仅结构复杂，机加工难点也较多，主要集中在其中的5C零件上(即缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴和连杆)。

随着制造业升级、工业4.0持续推进，随着汽车产业正持续高速发展，高质量、高效率、低成本的生产成为市场竟争的基本要求，新产品、新技术、新工艺、新材料不断出现，与此相应的对切削技术和刀具也不断提出了新的要求。因此在面对高效加工的需要时，刀具材料发生了很大变化，促使大尺寸超硬硬质合金刀具在当代汽车制造业中获得了广泛使用，尤其是在钻削、铰削、铣削、车削等加工中。

传统工艺生产超硬硬质合金是以低Co、细晶粒WC为原料，通过湿磨混料、挥发酒精干燥、掺成型剂制粒、压制成型、压制毛坯干燥、修型、低压烧结等工序制备。可以看出：传统工艺的湿磨混料、挥发酒精干燥过程，湿磨容易产生晶格畸变、引起物料脏化、混料不均匀，使合金容易形成不均匀长大、钴池、加粗等缺陷；掺成型剂(石蜡、PEG、丁纳橡胶、纤维素)制粒过程主要是增强粉末颗粒粘性，便于压制成型，目前大部分工艺采用低温烧结通惰性气体排除成型剂，但成型剂不可能完全排除，会残留一些微量杂质，导致制备硬质合金中残留孔洞，降低合金强度、致密度。同时，成型剂中残留的碳或脱成型剂消耗物料中的碳，影响制备硬质合金的质量，导致合金脱碳或渗碳，影响合金的性能。

目前，尚未有采用WC-Co复合粉末为原料，采用干袋等静压+低压烧结工序快速制备超硬硬质合金的报道。

技术实现要素：

为避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明旨在提供一种以WC-Co复合粉末为原料采用干袋等静压与低压烧结制备超硬硬质合金棒材的方法，旨在避免传统工艺中的湿磨混料、挥发酒精干燥、掺成型剂制粒等工序，从而避免物料脏化、长时间氧化、混合不均匀、成型剂残留等问题，以提高合金质量及性能。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种以WC-Co复合粉末为原料采用干袋等静压与低压烧结制备超硬硬质合金棒材的方法，其特点在于：是以纳米WC-Co复合粉末为原材料，先将原料装入干袋等静压设备模腔中压制成型，然后采用低压烧结炉设备进行烧结，即获得超硬硬质合金棒材。具体包括如下步骤：

1)干袋等静压：

将Co质量含量在3～15％的纳米WC-Co复合粉末0.4～11kg装入模腔模具中，模具尺寸为直径Φ(8.2～130mm)×长度(200～650mm)，模具材质为橡胶、塑料、聚氨酯或改性聚氨酯；将装入模具中的粉末敲打、振实，盖上上盖板；然后采用五段加压、三段泄压的工艺压制成型，获得压制毛坯；

所述五段加压的过程为：第一段压制压力0～400bar，加压时间0～20s，保压0～10s；第二段压制压力400～600bar，加压时间0～30s，保压0～20s；第三段压制压力600～800bar，加压时间0～40s，保压0～30s；第四段压制压力800～1100bar，加压时间0～60s，保压0～60s；第五段段压制压力1100～1300bar，加压时间0～100s，保压0～100s；

所述三段泄压的过程为：第一段泄压至1300～600bar，泄压时间0～60s，保压0～60s；第二段泄压至600～300bar，泄压时间0～40s，保压0～40s；第三段泄压至300bar～常压，泄压时间0～30s，保压0～30s。

2)压制毛坯修型：

将步骤1)得到的压制毛坯表面切削加工，车削精度为IT8～IT10，获得修整毛坯料棒；

3)低压烧结：

将步骤2)得到的修整毛坯棒料装入低压烧结炉中，进行分段烧结，即获得目标产品超硬硬质合金棒材。

所述分段烧结包括真空烧结、分压烧结和加压烧结三步，具体工艺如下：

真空烧结：从室温升至1200℃，升温时间200min～1200min，保温时间30～120min，真空度0～10Pa；

分压烧结：从1200℃升至1320℃，升温时间120min～360min，保温时间30～120min，加压1MPa；

低压烧结：先从1320℃升温烧结至1320～1410℃，升温时间0～220min；然后将压力从1MPa加至3MPa，加压时间30～60min；再在3MPa保温保压30～120min。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明以纳米WC-Co复合粉末为原料，使W、Co、C原子达到分子水平的均匀混合，提高粉末比表面积大，降低低压烧结温度。

2、本发明省去了以低Co、细晶粒WC为原材料制备超硬硬质合金中的湿磨混料、挥发酒精干燥、掺成型剂制粒、压制毛坯干燥等工序。减少了球磨产生WC晶格畸变、物料脏化、混料不均匀，避免了不均匀长大、钴池、加粗等缺陷；同时，防止掺成型剂不能完全脱除，避免孔洞、脱碳或渗碳等缺陷。

3、本发明采用干袋冷等静压使得粉末在受限腔体内加压，径向均匀受力，压制的坯体密度高而且均匀，能确保产品的直线度及圆度，降低加工时效，烧结收缩小，不易变形；且采用干袋冷等静压能成型模压工艺、挤压工艺难以制备的特大棒状或管状坯料；所得压制品具有高强度和良好的可加工性，避免烧结成合金进行整修，可大大降低合金内应力。

4、本发明工艺流程短，设备操作简单，能够生产大规格、长尺寸棒材，生产周期短、效率高，生产成本节约30％以上。

附图说明

图1为本发明实施例所用模具的基本尺寸形状照片；

图2为本发明通过干袋等静压所得若干压制毛坯在修型前(a)、后(b)的照片；

图3为本发明实施例1所用原材料纳米WC-6Co复合粉末的SEM形貌图；

图4为本发明实施例1所用原材料纳米WC-6Co复合粉末的XRD图片；

图5为本发明实施例1所用原材料纳米WC-6Co复合粉末的SEM+X光微区EDS图片；

图6为本发明实施例1所用原材料纳米WC-6Co复合粉末用SEM分析元素面分布图片；

图7为本发明实施例1所得超硬硬质合金表面磨金相的SEM形貌图；

图8为本发明实施例1所得超硬硬质合金表面磨金相腐蚀的SEM形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

1)干袋等静压：

将购买自安徽融达复合粉体科技有限公司的Co质量含量在6％的纳米WC-6Co复合粉末2.53kg，装入模腔模具中，模具尺寸为直径Φ46.2×370mm，模具材质为改性聚氨酯；将装入模具中的粉末敲打、振实，盖上上盖板；然后采用五段加压、三段泄压的工艺压制成型，获得压制毛坯；

五段加压的过程为：第一段压制压力300bar，加压时间10s，保压5s；第二段压制压力500bar，加压时间15s，保压8s；第三段压制压力700bar，加压时间20s，保压15s；第四段压制压力1000bar，加压时间40s，保压20s；第五段压制压力1200bar，加压时间60s，保压60s。

三段泄压的过程为：第一段泄压至800bar，泄压时间30s，保压30s；第二段泄压至400bar，泄压时间25s，保压20s；第三段泄压至常压，泄压时间10s，保压0s。

本实施例所用原材料纳米WC-6Co复合粉末的SEM图如图3所示，可以看出原料晶粒度小、粒度均匀。

本实施例所用原材料纳米WC-6Co复合粉末的XRD图如图4所示，可以看出原料物相纯净，为WC、Co相，粉末中无其他杂质相。

本实施例所用原材料纳米WC-6Co复合粉末的EDS分析，如图5所示，可以看出原料不含其他杂质元素，且W、Co、C分布均匀。

本实施例所用原材料纳米WC-6Co复合粉末的元素面分布照片如图6所示，可以看出原料中Co相均匀包覆在WC晶粒周围，不存在成分偏析。

2)压制毛坯修型：

将步骤1)得到的压制毛坯表面切削加工，车削精度为IT8～IT10，获得修整毛坯料棒；

3)低压烧结：

将步骤2)得到的修整毛坯棒料装入低压烧结炉中，进行分段烧结，即获得目标产品超硬硬质合金棒材，其中，分段烧结包括真空烧结、分压烧结和加压烧结三步，具体工艺如下：真空烧结：从室温升至1200℃，升温时间400min，保温时间60min，真空度5Pa；

分压烧结：从1200℃升至1320℃，升温时间120min，保温时间40min，加压1MPa；

低压烧结：先从1320℃升温烧结至1360℃，升温时间80min；然后加压至3MPa，加压时间40min；再在3MPa保温保压40min。

本实施例所得超硬硬质合金表面磨金相的SEM形貌图如图7所示，从图中可以看出所制备的超硬硬质合金WC晶粒均匀，无异常长大或晶粒加粗等现象。

对本实施例所得超硬硬质合金表面磨金相进行腐蚀，使合金中WC晶粒腐蚀，表面只留下钴，碳化钨腐蚀后留下凹坑，以方便碳化钨晶粒的观察。本实施例所得超硬硬质合金表面磨金相腐蚀的SEM形貌图如图8所示，从图中可以看出制备的超硬硬质合金Co分布均匀，WC平均晶粒度≤0.5μm，WC晶粒呈三角形、四边形、多边形，主要以三角形为主，提高合金硬度，多边形提高合金强度。

本实施例检测了所得超硬硬质合金的金相和物理性能，结果如表1所示，可以看出所得超硬硬质合金的晶粒度≤0.5μm，硬度高、密度高，几乎接近全致密。

实施例2

1)干袋等静压：

将购买自安徽融达复合粉体科技有限公司的Co质量含量在8.5％的纳米WC-8.5Co复合粉末2.25kg，装入模腔模具中，模具尺寸为直径Φ8.2×370mm，模具材质为改性聚氨酯；将装入模具中的粉末敲打、振实，盖上上盖板；然后采用五段加压、三段泄压的工艺压制成型，获得压制毛坯；

五段加压的过程为：第一段压制压力300bar，加压时间10s，保压5s；第二段压制压力500bar，加压时间15s，保压8s；第三段压制压力700bar，加压时间20s，保压15s；第四段压制压力1000bar，加压时间40s，保压20s；第五段压制压力1200bar，加压时间60s，保压60s。

三段泄压的过程为：第一段泄压至800bar，泄压时间30s，保压30s；第二段泄压至400bar，泄压时间25s，保压20s；第三段泄压至常压，泄压时间10s，保压0s。

2)压制毛坯修型：

将步骤1)得到的压制毛坯表面切削加工，车削精度为IT8～IT10，获得修整毛坯料棒；

3)低压烧结：

将步骤2)得到的修整毛坯棒料装入低压烧结炉中，进行分段烧结，即获得目标产品超硬硬质合金棒材，其中，分段烧结包括真空烧结、分压烧结和加压烧结三步，具体工艺如下：

真空烧结从室温升至1200℃，升温时间500min，保温时间100min，真空度5Pa；

分压烧结：从1200℃升至1320℃，升温时间240min，保温时间60min，加压1MPa；

低压烧结：先从1320℃升温烧结至1360℃，升温时间100min；然后加压至3MPa，加压时间40min；再在3MPa保温保压60min。

本实施例检测了所得超硬硬质合金的金相和物理性能，结果如表1所示，可以看出所得超硬硬质合金的晶粒度≤0.5μm，硬度高、密度高。与实施例1相比，本实施例所得合金硬度降低、强度有所增加，表明随着原料中Co金属含量增加，合金强度提高，硬度降低。

表1 本发明实施例所得超硬硬质合金金相及物理性能

以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。