一种高性能硬质合金材料的制备方法与流程

本发明涉及硬质合金制备方法领域，更具体地说是涉及一种高性能硬质合金材料的制备方法。

背景技术：

随着工业技术的快速发展，硬质合金工具材料快速深入到工业生产的方方面面，逐步替代了原始的高速钢材料，并表现出了无可比拟的优异性能。为了迎合纸加工业刀具，传统的分切刀具材料由高速钢材料转为硬质合金材料。

硬质合金主要成分是碳化钨(wc)，一般采用钴做粘接相，采用粉末冶金方法生产，具有很高的耐磨性和强度。它的高耐磨性使其使用寿命提高了10～30倍，大大的提高了生产效益，减少了浪费，降低了生产成本，得到了行业的认可。但还是有一些致命缺陷，用颗粒细的原料做，虽然耐磨性好，但韧性差；用粗的原料做，虽然强度、韧性可以，但刀口钝、切削阻力大、易产生高温，影响切削质量和刀具寿命。

经检索，中国专利公开号：cn108914018a；公开日：2018年11月30日；公开了一种刀具用硬质合金材料，所述刀具用硬质合金材料的组份配比(质量份数)包括铁元素70-80份、碳元素1-1.5份、镍元素10-15份、镁元素2.5-8份、铝元素2-5份、铬元素3-6份、钼元素1-1.5份、钛元素2-3.5份、钡元素1-2份、钒元素1-1.5份、碳化钨10-15份、铼元素0.07-0.09份。该发明制得的硬质合金刀具最终成品刀具在实际使用中，耐磨性较差，切削质量不达标，性能不如以wc为基体制作的硬质合金。

另，中国专利公开号：cn103388097b；公开日：2016年5月25日；公开了一种硬质合金刀具，由以下重量份原料组成：65-80份硬质相、10-14份粘接相、6-9份抑制相、2-4份增硬相，所述硬质相是由以下质量百分比的原料组成：16-18％碳化钨、3-5％碳化钽、0.9-1.2％碳化铌、2.5-3.0％tic、0.6-0.9％钕、余量为碳化硅；所述的粘结相是由以下质量百分比的原料组成：4-8％nial、24-32％co、余量为羟基铁粉；所述抑制相是由以下质量百分比的原料组成：3-6％nbc、12-23％tac、10-15％石墨烯，余量为vc；所述的增硬相是由以下质量百分比的原料组成：60-70％cr3c2、14-18％锐钛矿二氧化钛、余量为二氧化锆。采用该配方制得的硬质合金刀具性能较现有刀具有所改善，但该硬质合金配方成分成本很高，中碳化铌、碳化钽都是价格非常昂贵的稀贵金属，不适用于推广到一般企业。

硬质合金制备过程一般包括配料、湿磨、干燥、掺成型剂、制粒、压制成型、烧结等步骤，在实际生产过程中发现，制备成型的刀具有时会出现尺寸精度误差较大的情况，且传统制备方法制备的硬质合金刀具性能有限，很难满足社会发展对硬质合金刀具更高性能要求的需求。

经检索，中国专利公开号：cn103243253b，公开日：2016年1月20日，公开了一种硬质合金及其制备方法，其硬质合金的制备方法包括如下步骤：按重量百分比取各组分，混匀，真空干燥，掺蜡成型，均匀化破碎，过筛，压制，低压烧结得到硬质合金；其中，混匀的方式为湿磨；压制的单位压制压力为0.5-1.0mpa；所述的低压烧结包括如下步骤：将压制得到的半成品放入低压烧结炉内，烧结压力设置为4.5～5.5mpa，先在400～500℃时将半成品中的蜡脱净，后将烧结温度控制为1360～1400℃，保温保压1小时，冷却，冷却时压力为3.5～4.5mpa，出炉得到硬质合金，采用该方法制得的硬质合金产品仍存在尺寸精度误差大的产品，且其耐磨性较差。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术中硬质合金材料在制备过程中易出现尺寸精度误差大，硬度、韧性不达标的问题，本发明提供了一种高性能硬质合金材料的制备方法。本发明的方法中增加合批步骤，对每批混料的粒度分布进行均匀化，减少了压制烧结成型后刀具的尺寸精度误差，采用低温处理，对硬质合金材料的硬度和韧性进一步提高。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种高性能硬质合金材料的制备方法，包括如下步骤，

一、混料：

a、将硬质合金各材料成分配置；

b、将合金球、配置好的料和酒精加入湿磨机；

c、将成型剂加入湿磨机；

d、启动湿磨机，得到浆料；

二、干燥：

a、对浆料进行干燥，得到干燥料；

b、使用筛网擦筛干燥料，得到料粒；

三、重复步骤一至二，得到多批料粒；

四、合批：对多批料粒进行合批处理，得到合批后料粒；

五、压制：将合批后料粒压制成压型料；

六、烧结：将压型料送入烧结炉中烧结；

七、低温冷却：将烧结后得到的烧结料降温至-150℃以下进行低温处理，低温处理的保温时间为2～5h；

八、回火：低温冷却处理后的物料进行回火处理。

硬质合金的制备工艺是影响其性能的重要因素，工艺操作不当，可能会导致硬质合金中出现各种有害相，最终影响硬质合金的性能，现有的硬质合金处理工艺通常由如下步骤构成，混合、湿磨、初筛、干燥、二次过筛、压制、烧结和冷却，本方案对传统工艺进行了改进，并且对工艺参数进行优化，发挥了配方元素的特性，降低了有害相生成的概率，最终制得的产物具有高硬度、高韧性且性质均匀，使用寿命更久。

传统工艺是将多批料粒直接混合后进行压制及后续步骤，在成型的硬质合金材料进行校检时发现，不同批次的料粒混合后成型的刀具，其尺寸精度低，单一批次的料粒混合后成型的刀具尺寸精度正常，申请人研究后发现，湿磨得到的多批料粒间的粒度差异大，简单混合后进行后续步骤，粒度分布不均匀导致压制时压坯密度不均匀，烧结时会变形，会影响到最终硬质合金材料成型后的精度，且简单混合易造成硬质合金材料成分中碳分布不均匀、局部缺碳的现象，烧结时生成缺碳相会影响到合金性能，但实际生产时，难以避免的会实用混合料粒进行压制等后续工序，因此本申请加设了合批处理的步骤，对多批料粒进行混匀、研磨，来改善混合料粒粒度分布的均匀性，克服了混合料粒成型的刀具精度差的问题。

合批后的料粒压制成压型料后即可进行烧结，合适的烧结温度的确定与硬质合金材料的含碳量有关，含碳量在0.05～0.08时，在1400～1500℃范围内，随着烧结温度的升高，硬质合金的孔隙率降低，致密度升高，抗弯强度提高，但是烧结温度的升高会导致硬质合金表层co的蒸发损失增大，表层的孔隙率会增加，所以烧结温度不宜过高，当温度为1475℃时进行烧结，对抗弯强度性能的提升大且此温度下硬质合金表面孔隙率不会受到影响；烧结时间控制在60～90min，随着烧结时间增长，硬质合金的抗弯强度逐渐增大，超过一定温度后，抗弯强度开始减小，且硬质合金表面co的蒸发损失变严重，最佳的烧结时间为75min。

常规的生产工艺中，烧结后的烧结料随炉冷却至室温，这种处理工艺得到的硬质合金的硬度、韧性有限，难以满足现有环境对硬质合金性能日益增高的需求，本方案对烧结后的烧结料进行低温处理，烧结后的烧结料先随炉冷却至室温，然后置于深冷箱中对其进行降温，降温至-150℃以下，保温2～5小时，经过低温处理后的硬质合金，在200℃以上时，其硬度要高于未处理过的硬质合金，低温处理后硬质合金的耐磨性高于未处理的耐磨性，抗弯强度也高于未处理过的硬质合金。

低温处理后的物料进行回火处理，消除低温处理过程中产生的内应力，进一步保证最终产品的性能。

进一步地，所述合批处理采用干式混合的方式。更具体地，本方案采用双螺旋混合机对多批混合料进行干混合，采用双螺旋混合机可以有效改善不同批次混合料粒度分布的均匀性，减少不同批次内各粒度质量分数的极差，从而保证最终成型产品尺寸的精度控制。

进一步地，干混合过程持续半小时。每次干混合持续时间半小时即可保证混合均匀，大于半小时对混合效果提升不大，但是会增加生产的时间成本。

进一步地，所述低温冷却处理的温度为-160℃～-186℃。随着处理温度降低，硬质合金成品的热硬性(高温下硬质合金的硬度)有所提高，温度继续降低到一定值后，热硬性不再提高，硬质合金的抗弯强度也随着处理温度的降低而升高，在温度降到-160℃后，抗弯强度的提高幅度最大，之后随着温度的继续降低，抗弯强度的提高幅度大量减少，从综合成本考虑，将温度控制在-160℃～-186℃，可以得到最佳的热硬度与抗弯强度的强化效果。

进一步地，所述低温冷却步骤循环2～3次后再进行回火步骤。研究发现，只对烧结后的物料进行一次低温处理，最终硬质合金的性能提高不均匀，尤其是处理物料体积较大时，本方案采用循环低温处理，第一次低温处理后的物料，在室温下回复到常温后继续进行1～2次低温处理，体积大的物料处理次数多，经过循环低温处理后的物料，性能的提高更均匀，且经检查，在后续的低温处理过程中，粘结相中会生成α-co，这种组织不易粘结磨损，润滑性好，可以提高粘结相对硬质相的粘结强度，进而可以提高硬质合金整体的耐磨性能。

进一步地，第一次低温冷却的保温时间为4～5小时，第二次低温冷却或第三次低温冷却的保温时间均为2小时。每次低温处理步骤的处理温度均相同，硬质合金的维氏硬度和抗压强度会随着保温时间而发生变化；在第一次低温处理时，在低温下保温4～5小时达到最大的维氏硬度及抗压强度，在-186℃时保温4小时，-160℃时保温5小时，温度减低，最佳保温时间缩短，第二次和后续的低温处理工序的保温时间比第一次短，控制在两小时，保证后续低温处理效果的同时防止硬质合金性能下降。

进一步地，混料步骤中，合金球：料：酒精的质量比为4：2：1。球磨机中合金球与料的质量比为4：2，酒精与料的质量比为1：2，且酒精莫过料面1cm，在此搭配下可保证球磨机最佳的研磨混合效果，使混料更均匀。

进一步地，混料步骤中采用纯度为99.5％的酒精。申请人研究发现，采用不同纯度的酒精湿磨后混合料的含氧量不同，进而会影响到烧结过程中的碳氧平衡，酒精纯度低于98％，湿磨后的混合料的氧含量波动很大，碳氧平衡很难控制，烧结后硬质合金中易出现有害的第三相，会影响到最终产品的性能，采用无水酒精(纯度为99.5％)，可以最大程度的减少湿磨时造成的氧含量波动，烧结过程中的碳氧平衡更容易控制，更容易得到性能优秀的硬质合金产品，本方案采用纯度为99.5％的酒精，且保证每批次湿磨时，使用的酒精纯度相等。

进一步地，干燥步骤中，采用真空干燥的方式。在负压状态下，液体变成气体挥发掉所需的温度要比常压下的低得多，本方案采用真空干燥的方法，将真空度控制在800～650kpa间，缩短料浆干燥需要的时间，节约了时间成本。

进一步地，混料步骤中配置的材料成分按重量配比表示如下，wc：70～75份；co：7～9份；tic：12～14份；ni：4～6份；tac：0.3～0.5份。

本申请的制备方案加工此成分的硬质合金材料时，产品的性能最好。

进一步地，混料步骤中配置的材料中，各组分重量间存在如下关系：

0.3≤ni/(co+ni)≤0.4；

0.05≤(0.06wc+0.2tic)/(wc+co+tic+ni)≤0.08。

ni和co均作为粘结相加入硬质合金中，单纯加入ni，会导致制备的硬质合金材料韧性不够，单纯加入co，会导致生产成本大大提高，因此本申请采用ni与co配合添加的方案，研究中发现，ni与co的相对含量不同，影响着烧结过程中硬质相的变化，wc在ni与co中的固溶度不同，因此在烧结时，ni与co的相对含量的不同会导致固相颗粒的溶解速度不同，针对本申请的wc含量，若控制不好ni与co的相对含量，引起固相颗粒溶解速度过快，会导致硬质相晶粒长大不均匀，削弱其他组分对晶粒长大的抑制作用，致使硬质合金材料的性能被影响，随着ni的相对含量不断减少，硬质相晶粒越细小，分布越均匀，硬质合金材料的硬度不断增加，硬度增加到一定值后，再减少ni的相对含量，硬度变化很小，随着ni的相对含量的减小，硬质合金材料的抗弯强度先增大后减小，本方案控制ni的相对含量ni/(co+ni)在0.3～0.4之间，这个范围区间内，硬质合金材料的抗弯强度达到最大，且其硬度也达到最大后趋于稳定。

硬质合金中的碳主要由wc和tic提供，wc和tic的含量会影响到硬质合金的含碳量，含碳量过低或过高会导致硬质合金中出现脱碳相或游离碳，两者的出现均会影响到硬质合金的性能，本方案控制(0.06wc+0.2tic)/(wc+co+tic+ni)值在0.05～0.08之间，在此范围区间内，烧结时不易产生脱碳相或游离碳，低于此范围，易产生脱碳相，高于此范围，易于产生游离碳，且随着(0.06wc+0.2tic)/(wc+co+tic+ni)值不断增大，硬质合金材料的抗弯强度不断增大。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，对工艺步骤和参数进行了改进和优化，发挥了配方元素的特性，降低了有害相生成的概率，最终制得的产物具有高硬度、高韧性且性质均匀，使用寿命更久；

(2)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，制备时采用合批工艺，避免了传统制备工艺下，不同批次的料粒混合后成型的刀具尺寸精度低的情况发生，通过合批工艺，对多批料粒进行混匀、研磨，改善了混合料粒粒度分布的均匀性，克服了混合料粒成型的材料精度差的问题；

(3)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，针对高性能硬质合金材料中的含碳量，将烧结温度控制在1400～1500℃之间，时间控制在60～90min，在这个区间范围内，高性能硬质合金材料的抗弯强度进一步得到提升，并且此区间范围内co的蒸发损耗小；

(4)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，烧结后采用低温处理工艺，使高性能硬质合金材料的热硬性、耐磨性和抗弯强度高于不经过低温处理的材料；

(5)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，混合时，合金球：料：酒精的质量比为4：2：1，可保证球磨机的最佳研磨效果，使混料更均匀；

(6)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，在每次混料时酒精的加入量一致，且每次都采用纯度为99.5％的酒精，可以减少混合料的氧含量波动，使烧结时的碳氧平衡更容易控制，减少烧结后出现有害第三相的概率，使高性能硬质合金材料的性能得到进一步保证；

(7)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，合批处理采用干混合的方式，可以有效改善不同批次混合料粒度分布的均匀性，减少不同批次内各粒度质量分数的极差，从而保证最终成型产品尺寸的精度控制；

(8)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，干混合时间控制在半小时，可以保证混合均匀，大于半小时对混合效果提升不大，但是会增加生产的时间成本；

(9)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，低温处理的温度控制在-160℃～-186℃，可以得到最佳的热硬度与抗弯强度的强化效果；

(10)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，低温处理步骤循环2～3次，保证低温处理对高性能硬质合金材料各部位性能提升的均匀性，且在后续低温处理时，会促使粘结相中生成α-co组织，提高粘结相对硬质相的粘结强度，对高性能硬质合金材料整体的耐磨性进一步提升；

(11)本发明的一种高性能硬质合金材料的制备方法，采用真空干燥的方式，减少了干燥用时，进一步缩短了高性能硬质合金材料所消耗的时间成本。

附图说明

图1为本发明的高性能硬质合金材料制备方法流程图；

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的高性能硬质合金材料，由如下重量配比的原料制成：wc：73.4份；co：8.2份；tic：13份；ni：5份；tac：0.4份。

经如下工艺制备成高性能硬质合金材料：

一、混料：

a、将硬质合金各材料成分配置；

b、将合金球、配置好的料和纯度为99.5％的酒精加入湿磨机，合金球：料：酒精＝4：2：1；

c、将石蜡成型剂加入湿磨机，石蜡添加量为2％；

d、启动湿磨机，湿磨时间为37小时，得到浆料；

二、干燥：

a、对浆料进行真空干燥，真空度为650kpa，得到干燥料；

b、使用60目的筛网擦筛干燥料，得到料粒；

三、重复步骤一至二，得到多批料粒；

四、合批：用双螺旋混合机对多批料粒进行干混合合批处理，干混合持续时间为半小时，得到合批后料粒；

五、压制：将合批后料粒压制成压型料；

六、烧结：将压型料送入烧结炉中烧结，烧结温度为1400℃，烧结时间为60min；

七、低温冷却：将烧结后得到的烧结料降温至-160℃进行第一次低温处理，第一次低温处理的保温时间为4h，然后在室温下回复到常温，进行第二次低温处理，第二次低温处理的保温时间为2小时，然后在室温下回复到常温，进行第三次低温处理，第三次低温处理的保温时间为2小时；

八、回火：低温冷却处理后的物料在120℃下回火处理，在回火处理的保温时间为2h。

制备方法流程如图1所示。

对回火结束后最终得到的产品试样进行测试，结果如下：

密度：d＝14.20；钴磁：com＝17.7；硬度：hra＝91.5；磁力：he＝15；强度：trs＝3000。

实施例2

本实施例的高性能硬质合金材料，由如下重量配比的原料制成：wc：73.4份；co：8.2份；tic：13份；ni：5份；tac：0.4份。

经如下工艺制备成高性能硬质合金材料：

一、混料：

a、将硬质合金各材料成分配置；

b、将合金球、配置好的料和纯度为99.5％的酒精加入湿磨机，合金球：料：酒精＝4：2：1；

c、将石蜡成型剂加入湿磨机，石蜡添加量为2％；

d、启动湿磨机，湿磨时间为40小时，得到浆料；

二、干燥：

a、对浆料进行真空干燥，真空度为800kpa，得到干燥料；

b、使用70目的筛网擦筛干燥料，得到料粒；

三、重复步骤一至二，得到多批料粒；

四、合批：用双螺旋混合机对多批料粒进行干混合合批处理，干混合持续时间为半小时，得到合批后料粒；

五、压制：将合批后料粒压制成压型料；

六、烧结：将压型料送入烧结炉中烧结，烧结温度为1500℃，烧结时间为90min；

七、低温冷却：将烧结后得到的烧结料降温至-186℃进行第一次低温处理，第一次低温处理的保温时间为5h，然后在室温下回复到常温，进行第二次低温处理，第二次低温处理的保温时间为2小时，然后在室温下回复到常温，进行第三次低温处理，第三次低温处理的保温时间为2小时；

八、回火：低温冷却处理后的物料在180℃下回火处理，在回火处理的保温时间为3h。

对回火结束后最终得到的产品试样进行测试，结果如下：

密度：d＝14.40；钴磁：com＝18.3；硬度：hra＝93.0；磁力：he＝14；强度：trs＝3600。

实施例3

本实施例的高性能硬质合金材料，由如下重量配比的原料制成：wc：73.4份；co：8.2份；tic：13份；ni：5份；tac：0.4份。

经如下工艺制备成高性能硬质合金材料：

一、混料：

a、将硬质合金各材料成分配置；

b、将合金球、配置好的料和纯度为98％的酒精加入湿磨机，合金球：料：酒精＝4：2：1；

c、将石蜡成型剂加入湿磨机，石蜡添加量为2％；

d、启动湿磨机，湿磨时间为37小时，得到浆料；

二、干燥：

a、对浆料进行真空干燥，真空度为800kpa，得到干燥料；

b、使用50目的筛网擦筛干燥料，得到料粒；

三、重复步骤一至二，得到多批料粒；

四、合批：用双螺旋混合机对多批料粒进行干混合合批处理，干混合持续时间为半小时，得到合批后料粒；

五、压制：将合批后料粒压制成压型料；

六、烧结：将压型料送入烧结炉中烧结，烧结温度为1475℃，烧结时间为75min；

七、低温冷却：将烧结后得到的烧结料降温至-180℃进行第一次低温处理，第一次低温处理的保温时间为4.5h，然后在室温下回复到常温，进行第二次低温处理，第二次低温处理的保温时间为2小时，然后在室温下回复到常温，进行第三次低温处理，第三次低温处理的保温时间为2小时；

八、回火：低温冷却处理后的物料在160℃下回火处理，在回火处理的保温时间为3h。

对回火结束后最终得到的产品试样进行测试，结果如下：

密度：d＝14.35；钴磁：com＝17.9；硬度：hra＝93.0；磁力：he＝15；强度：trs＝3800。

实施例4

本实施例的高性能硬质合金材料，由如下重量配比的原料制成：wc：73.4份；co：8.2份；tic：13份；ni：5份；tac：0.4份。

经如下工艺制备成高性能硬质合金材料：

一、混料：

a、将硬质合金各材料成分配置；

b、将合金球、配置好的料和纯度为99.5％的酒精加入湿磨机，合金球：料：酒精＝4：2：1；

c、将石蜡成型剂加入湿磨机，石蜡添加量为2％；

d、启动湿磨机，湿磨时间为40小时，得到浆料；

二、干燥：

a、对浆料进行真空干燥，真空度为800kpa，得到干燥料；

b、使用50目的筛网擦筛干燥料，得到料粒；

三、重复步骤一至二，得到多批料粒；

四、合批：用双螺旋混合机对多批料粒进行干混合合批处理，干混合持续时间为半小时，得到合批后料粒；

五、压制：将合批后料粒压制成压型料；

六、烧结：将压型料送入烧结炉中烧结，烧结温度为1475℃，烧结时间为75min；

七、低温冷却：将烧结后得到的烧结料降温至-180℃进行第一次低温处理，第一次低温处理的保温时间为4.5h，然后在室温下回复到常温，进行第二次低温处理，第二次低温处理的保温时间为2小时，然后在室温下回复到常温，进行第三次低温处理，第三次低温处理的保温时间为2小时；

八、回火：低温冷却处理后的物料在160℃下回火处理，在回火处理的保温时间为3h。

对回火结束后最终得到的产品试样进行测试，结果如下：

密度：d＝14.35；钴磁：com＝17.9；硬度：hra＝93.5；磁力：he＝15；强度：trs＝3800。

当高性能硬质合金材料的制备工艺及参数如实施例4所述时，得到的最终高性能硬质合金材料试样的综合性能最好，为最优选方案。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。