一種WC-Co梯度硬質合金材料的製備方法
2023-06-01 10:11:11 1
專利名稱：一種WC-Co梯度硬質合金材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及硬質合金材料的生產方法，特別是具有梯度結構的特殊硬質合金材料的生產 方法，具體地說是一種WC-Co梯度硬質合金材料的製備方法。
二背景技術：
硬質合金是由硬質難熔金屬碳化物相(如WC等)和粘結金屬相(如Co等)組成的燒結 材料，具有高硬度、高強度、高彈性模量高、耐磨耐腐蝕性好等特點，廣泛應用於各種切削 工具、礦用工具和耐磨耐蝕零部件等。隨著現代工業的發展，對硬質合金提出了更高的要求。 如要求其具有高硬度的同時還具有高的韌性。 一般來說，硬質合金的硬度和韌性與其Co含量 和晶粒度有關，Co含量高，合金的硬度低但韌性較高，因此硬質合金硬度與韌性始終存在一 定矛盾。這使得硬質合金材料的應用受到了一定限制。
梯度結構硬質合金材料(S. Suresh， A, Mortensen, Fundamentals of Functionally Graded Materials, Cambridge University Press, Cambridge, 1998.)的出現為解決這一矛盾提供了一條有 效途徑。梯度硬質合金是通過2種或2種以上性質不同的材料連續改變其組成、組織、結構等 要素,使其內部界面消失,得到性能呈連續平穩變化的非均質複合材料。因而使其同時兼顧傳 統硬質合金的耐磨性和難以克服的高韌性的特點。可以大幅度地提高硬質合金切削工具的使 用壽命和切削性能。梯度結構硬質合金以其優異的綜合性能和較低的生產成本,將會具有良 好的應用前景。因此近年來國內的研究熱點逐漸轉向了梯度硬質合金的製備工藝方面。
粘結相梯度結構硬質合金一般採用塗層法和滲碳處理法，對於前者，Dahan I, Admon U , Frage N研究表明(The development of a functionally graded TiC墨Ti multilayer hard coating [J ] SurfCoatTechno1，2001 ,137 (2-3): 111-115)由於塗層中不同材料的熱膨脹係數不同，塗層 工具材料在冷卻過程中受熱應力作用會產生裂紋，由於塗層材料的脆性,通常裂紋更容易在 塗層表面產生並向基體內部擴散。因此通常對基體進行梯度處理，以吸收裂紋擴展的能量， 因而能有效地阻止裂紋向合金內部擴展。使用此工藝除選好塗層材料和控制好塗層工藝外， 梯度合金基體的製備也是一個非常關鍵的問題，也限制了此工藝的應用。而對於後者，其實 質是先通過正常燒結製取缺碳即含il相的硬質合金。在此基礎上，再將缺碳硬質合金重新加 熱到約1400。C進行滲碳處理來改變合金中粘結相的分布。從表到裡形成碳梯度表面碳勢高， 內部碳勢低。進入液相燒結階段時，表面的液相量比內部的液相量多，在合金表面和內部之 間形成液相壓力差，導致燒結體表層附近的富鈷液相由表向裡發生定向遷移，其結果是在燒結體中形成由表層至芯部鈷含量逐漸增加，使其呈梯度。國內肖逸鋒，賀躍輝等人對此滲碳 法製備梯度材料進行了研究(滲碳工藝對WC-Co梯度硬質合金的梯度結構和硬度的影響[J] 中國有色金屬學報，2008， 18 (3) :465-470)。但此工藝操作複雜，周期長，設備成本高， 同時碳含量難以精確控制，直接影響梯度結構。而對於傳統的粉末分層壓製法和金屬熔體浸 漬法，大連硬質合金廠孫明君等己製備出梯度結構硬質合金。此工藝以千粉為原料進行分層 壓制，由於不同成分、粒度原料相互擠入,其接觸面難以控制平整，致使樣品易出現不完全 緻密或不均勻現象；而浸漬法則需首先製備出具有梯度孔隙的多孔WC骨架並進行浸漬處理， 工藝較複雜。
軋膜成型方法(成型工藝對片式PTCR素坯及瓷片性能的影響[J]功能材料，2005， 2 (36) : 252-255)是一種薄片瓷坯的成型工藝,主要用於電子陶瓷工業中軋制電路基片(板)， 電容及獨石電容等瓷坯。軋膜成型屬於可塑成型方法，易於操作且成本低廉，所制坯片具有
一定的均勻度、緻密度和光潔度，且膜坯的柔韌性較好，具有良好的工藝性能。
發明內容
本發明旨在提供一種碳化鉤-鈷(WC-Co)梯度硬質合金材料，所要解決的技術問題是 尋求新的加工方法。
本發明所稱的WC-Co梯度硬質合金材料有兩個含義， 一是Co含量呈連續梯度分布的 合金材料，二是Co含量相同，WC晶粒度呈連續梯度分布的合金材料。
本發明汲取陶瓷製備工藝一一軋膜成型工藝的優點，通過大量的實驗探討，提出一種採 用軋膜成型工藝製備穩定均勻的梯度結構硬質合金的新方法。該方法可以製備沿截面Co含 量呈梯度分布的材料及Co含量相同但不同晶粒度WC梯度材料。對沿截面Co含量呈梯度 分布的梯度材料，首先分別軋制出不同Co含量的合金膜坯，隨後將不同膜坯疊層於軋膜機 通過共同軋制，獲得Co含量不同的多層結構的WC-Co複合坯，最後燒結得到連續梯度合 金材料；對於Co含量相同梯度材料，選用不同粒度WC粉末分別軋制出不同WC粒度的合 金膜坯，然後將不同膜坯疊層、共軋獲得不同WC粒度多層WC-Co複合坯，最後通過燒結 得到梯度材料。該工藝通過控制燒結時間來調整材料的梯度的連續變化。
本WC-Co梯度硬質合金材料的製備方法，包括混合、軋制和燒結，與現有技術的區別 是所述的混合是將WC粉、Co粉、粘合劑和溶劑球磨混合成可軋膜成型的可塑料，或者Co
含量不同的可塑料(i )或者co含量相同wc晶粒度不同的可塑料(n)，混合的作用是使各組
分均勻分散。
Co含量通常在4 10wt。/。範圍內選擇，餘為WC粉的質量。WC粉晶粒度即指WC晶粒大小，通常有2pm、 7nm等。
所述的粘合劑選自甲基纖維(MC)或聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯醇縮丁酵(PVB)或鄰苯二 甲酸二丁酯(DBP)等，添加量為WC粉和Co粉總質量的4 10wt% 。
所述的溶劑選自水或乙醇或丁酮等，如溶劑過量可適當脫溶濃縮，使混合物形成可軋膜 成型的可塑料。
若混合時有氣泡還可滴加幾滴消泡劑辛醇或環己酮。
所述的軋制就是用雙輥軋膜機首先將可塑料(I)或可塑料(II)分別軋製成WC-Co單片
膜坯(i )或wc-co單片膜坯(n)，然後將單片膜坯(i )依序疊層或將單個膜坯(n)依序疊層，
所謂依序就是按Co含量自少到多或自多到少的次序，品粒度亦然，疊層後再共軋制，分別 得到Co含量不同的多層WC-Co複合坯(I )或WC晶粒度不同的多層WC-Co複合坯(n)。
所述的燒結就是對複合坯(I )和UI)在燒結爐中燒結，具體條件是在氫氣氣氛中於750 800。C下預燒90 150min，然後升溫至1350 150(TC下燒結40 80min,冷卻即得WC-Co 梯度硬質合金材料。
本方法充分利用軋膜成型工藝的優點，所軋制的膜坯、複合坯光潔、緻密且柔韌性好， 而且工藝簡單，成本低。複合坯通過燒結一方面使有機物揮發，更主要的是使液相鈷擴散， 通過燒結溫度和時間的控制，即可防止WC、 Co成分的均一化，又可獲得高效密度的且連 續梯度結構的合金材料。
本材料用Archimedes法測定了燒結體密度，相對密度均高於99%，用洛氏硬度計測定 了硬度、洛氏硬度均大於88HRA，用三點彎曲法測定了抗彎強度，與成分均一的硬質合金 相比，有明顯提高(含8%Co均一合金的抗彎強度為1800-1850MPa，梯度合金的抗彎強度 為2150-2200MPa)。 本發明的優點和積極效果體現在
(1) 本發明可以根據不同條件下使用情況按照性能要求設計和配製製備出不同成分及不 同粒度的梯度結構硬質合金。
(2) 本發明實現了WC、 Co均勻連續梯度結構，較其它方法具有更加優異的微觀結構。
(3) 本發明製備WC-Co梯度硬質合金與滲碳、分層壓制等方法相比，解決了碳含量難以 精確控制、樣品易不完全緻密或不均勻現象，可以穩定控制梯度結構。
(4) 本發明是對生產工藝的改進，由於軋膜成型易於操作，所制坯片具有一定的均勻度、
緻密度和光潔度，且膜坯的柔韌性較好，具有良好的工藝性能。因此可以降低生產成本，節約能耗。
四
圖1是疊層共軋多層WC-Co複合坯斷面顯微組織掃描電鏡(SEM)照片(自上而下為 含Co量分別為4%、 8%和12%三層)。
圖2是圖1多層複合坯燒結後斷面顯微組織掃描電鏡(SEM)照片(燒結後沿截面Co
成分呈連續梯度分布)。
五具體實施例方式
實施例一-.
(1) WC粉、Co粉末，按一定的比例(96wt% WC-4wt.%Co、 92wt% WC-8wt.%Co、 90wt% WC-10wt.%Co等)分別在酒精溶劑中混合24h以上，然後再加入4wt。/。的粘合劑PVB再混 合24h，得到可軋製成型的可塑料(I );
(2) 上述不同組成的可塑料(I )在雙輥軋膜機上反覆軋制，得到不同組成的WC-4wt.%Co、 WC-8wt%Co、 WC-10wt.%Co等膜坯(I);
(3) 上述不同Co含量的膜坯疊層，然後在軋膜機上共軋，得到具有多層結構的WC-Co 複合坯(I);
(4) 將(3)的複合坯(I)在燒結爐和氫氣氣氛中預燒，預燒溫度為80(TC，預燒時間為 120min。脫除有機物；
(5) 將(4)預燒坯體在145(TC下於H2下燒結60分鐘得到WC-Co梯度結構硬質合金。 實施例二
(1) WC、 Co粉為原料，其中WC粒度分別為2pm、 7pm，配製92wt% WC-8wt.% Co。 在水中球磨24h後，按比例加入5wt。/。粘合劑MC均勻混合24h，得到可軋製成型的可塑料
(n);
(2) 將上述的可塑料(II)在雙輥軋膜機上反覆軋制，得到粗、細不同晶粒的92wt% WC-8wt.% Co硬質合金膜坯(II);
(3) 上述相同Co含量，不同WC粒度合金膜坯疊層於軋膜機，經過軋制製備出成具有多
層結構的wc-co複合坯(n);
(4) 將(3)獲得坯體在燒結爐和氫氣氣氛中預燒，預燒溫度為750°C，預燒時間為90min。 脫除有機質；
(5) 將(4)預燒坯體在140(TC下於H2下燒結lh得到WC-Co梯度結構硬質合金。
權利要求
1、一種WC-Co梯度硬質合金材料的製備方法，包括混合、軋制和燒結，其特徵在於所述的混合是將WC粉、Co粉、粘合劑和溶劑球磨混合成可軋製成型的可塑料，所述的可塑料或者是Co含量不同的可塑料(I)，或者是Co含量相同、WC晶粒度不同的可塑料(II)；所述的軋制就是用雙輥軋膜機首先將可塑料(I)或可塑料(II)軋製成單片膜坯(I)或單片膜坯(II)，然後將膜坯(I)依序疊層或將膜坯(II)依序疊層，疊層後再共軋制分別得到多層複合坯(I)和多層複合坯(II)；所述的燒結就是對燒結爐中和氫氣氛下於750～800℃預燒90～150min，然後升溫至1350～1500℃下燒結40～80min。
2、 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述的粘合劑選自甲基纖維素或聚 乙烯醇或聚乙烯醇縮丁醛或聚乙二醇或鄰苯二甲酸二丁酯。
3、 根據權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於所述的溶劑選自水或乙醇或丁酮。
4、 根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於可塑料(I)或可塑料(II)中含有消泡 劑辛醇或環己酮。
全文摘要
一種WC-Co梯度硬質合金材料的製備方法，首先將按需要比例配製的WC粉、Co粉、粘合劑和溶劑球磨混合成可塑料，用雙輥膜機分別將可塑料軋制不同Co含量的或不同WC晶粒度的單片膜坯，將單片膜坯依序疊層後再共軋制，分別得到不同Co含量的或不同WC晶粒度的多層複合坯，將多層複合坯送燒結爐在氫氣氣氛下於750～800℃預燒90～150min，再於1350～1500℃下燒結40～80min，冷卻即得WC-Co梯度硬質合金材料。本材料相對密度均高於99％。洛氏硬度均大於88HRA，抗彎強度與成分均一的硬質合金相比，有明顯提高。
文檔編號C22C1/05GK101545058SQ20091011672
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月7日 優先權日2009年5月7日
發明者磊 萬, 朱金傳, 王誼芳, 程繼貴 申請人:合肥工業大學