專利名稱：一種Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種硬質(zhì)合金制備方法，特別涉及以Ni為粘結(jié)劑的WC基硬質(zhì)合金的制備方法。
技術(shù)背景硬質(zhì)合金發(fā)明以來(lái)，Co—直是硬質(zhì)合金的主要粘結(jié)劑。因?yàn)镃o對(duì)硬質(zhì)相WC有良好的潤(rùn)濕性和粘結(jié)性， 而C， W在Go中的溶解，使WC-Go系硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性。Co是稀缺的戰(zhàn)略資源，目前 世界Co儲(chǔ)量(不含中國(guó))約為450萬(wàn)噸，儲(chǔ)量基礎(chǔ)為960萬(wàn)噸，且主要分布在政治動(dòng)蕩的非洲國(guó)家供貨與需求 情況復(fù)雜，很不穩(wěn)定(中非政局動(dòng)蕩，供貨困難；俄羅斯經(jīng)濟(jì)不穩(wěn)定，出口前景不明朗)，致使Co的價(jià)格 波動(dòng)幅度較大。而且據(jù)報(bào)道，肺癌與吸入含Co的粉末有關(guān)。因此硬質(zhì)合金行業(yè)希望降低Cp的用量和尋找Co 的代替品。Ni與Co在元素周期表中同屬鐵族金屬，密度，熔點(diǎn)，原子半徑相近，物理、化學(xué)性能相近。 而Ni對(duì)WC也表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性，比Co有更好的抗氧化性和抗蝕性，尤其是合金化后，硬質(zhì)合金性能更 加優(yōu)越，在低碳含量的下還具有無(wú)磁性的優(yōu)點(diǎn)。并且Ni的世界儲(chǔ)量是Co的70倍，資源豐富，是一種相對(duì) Co來(lái)說(shuō)價(jià)格便宜的金屬。因此，Ni被看作是Co的首選代用品。為了解決Co資源不足帶來(lái)的問(wèn)題，生產(chǎn)所 謂的"Ni代Co硬質(zhì)合金"將大大降低硬質(zhì)合金的成本，具有廣闊的市場(chǎng)前景和顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效 益。國(guó)內(nèi)外科技工作者開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了一定成功。周永貴報(bào)導(dǎo)了部份鎳代Co硬質(zhì)合金 的韌性，并與相同成份的全Co的P20合金的韌性比較，結(jié)果表明30%和50%取代Co的Ni代Co合金的抗 彎強(qiáng)度均與傳統(tǒng)P20相當(dāng)；壓痕斷裂韌性值比傳統(tǒng)P20合金低，抗崩刃能力和耐用度更高。楊碧華等人 研究了配碳量與Ni/Co比對(duì)WC-9(Ni-Go)硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明WG-3Ni-6Co的配碳量為 6.04wtS時(shí)，其抗彎強(qiáng)度與WC-9Co相當(dāng)。汪仕元等人通過(guò)向Ni中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 6%的氧化釔(Y203)， 使WC-8%Ni合金的抗彎強(qiáng)度從用純鎳作粘結(jié)劑的1250 MPa增加到1900 MPa，但硬度無(wú)明顯變化。張立 介紹了一種用La(N03)3摻雜WC生產(chǎn)硬質(zhì)合金的方法，探討了 La對(duì)WC-9(Co-75WNi)合金物理機(jī)械性能的 影響，并對(duì)合金進(jìn)行了礦山現(xiàn)場(chǎng)鑿巖實(shí)驗(yàn)，當(dāng)1_3203/ (Co+Ni)為0.3%吋，N309R合金中WG晶粒的異常 長(zhǎng)大能得到有效抑制，合金組織均勻化程度得到改善，合金的耐磨性明顯提高，達(dá)到了YJI礦用合金的 水平。熊繼研究了混合稀土CeLa對(duì)WC-6 4Ni合金性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)稀土含量為0.5%時(shí)，效果 最佳，在硬度略有上升的情況下，抗彎強(qiáng)度提高1054以上，性能與WC-6Co合金性能相當(dāng)。在硬質(zhì)合金中 加入稀土，可起到強(qiáng)化合金、增加韌性、改變雜質(zhì)存在形態(tài)和分布等作用。US Patent 4497660公布了 鎳基體添加一定量Cr、 Mo、 Mn、 Co、 Al、 Si、 Cu等元素為粘結(jié)相的碳化鎢基硬質(zhì)合金。這種合金的強(qiáng)度、 韌性、硬度及相對(duì)耐磨性值均可做到優(yōu)于類(lèi)似的傳統(tǒng)硬質(zhì)合金。該專利認(rèn)為可能是Cr和Mo對(duì)碳化物相 和粘結(jié)相影響的交互作用致使試驗(yàn)合金具有高韌性和高硬度。所以Gr和Mo同時(shí)加入是必要的、另外， 若Gr和Mo的加入量高吋，必須另加一定數(shù)量的AI、 Si或Cu,否則硬質(zhì)合金中會(huì)產(chǎn)生脆性相。周建華 等人采用費(fèi)氏粒度為14.4um的WC和粒度為2.0， 3.0， 4.4， 5.5， 7.0um的還原Ni粉末，制備了 WC_9% 硬質(zhì)合金。研究結(jié)果表明，合金橫向斷裂強(qiáng)度隨著鎳粉粒度變細(xì)而提高，平均粒度低于3.0nm后強(qiáng)度提 高相當(dāng)顯著。當(dāng)平均粒度為2. m吋合金橫向斷裂強(qiáng)度達(dá)到了 2854MPa。合金硬度鎳粉平均粒度大于3 um時(shí)，隨著粒度增加合金硬度明顯下降。而小于3ixm吋，粒度對(duì)合金硬度影響不明顯。合金矯頑磁力
隨著鎳粉平均粒度增加而平緩增加；合金密度則相反。雍志華等人將WC-8Ni硬質(zhì)合金中的粘結(jié)劑用不同 比例的納米鎳Ni粉替代,采用常規(guī)硬質(zhì)合金的工藝制備出合金試樣,測(cè)試其物理力學(xué)性能,研究不同比例 的納米Ni粉及不同的燒結(jié)溫度對(duì)合金性能的影響。結(jié)果表明，納米Ni占總Ni含量的40% 60%左右 時(shí).WC-8Ni硬質(zhì)合金在適當(dāng)比例的納米鎳粉及燒結(jié)溫度下,合金的性能得到很大的提高。從以上報(bào)道可以看出，目前主要通過(guò)如通過(guò)多種添加合金元素，細(xì)化WC晶粒，通過(guò)嚴(yán)格的工藝控制， 減少孔隙和缺陷等方法來(lái)改善Ni代Co硬質(zhì)合金的性能。但目前Ni代Co硬質(zhì)合金主要在耐磨零件，礦山 工具等領(lǐng)域或其他要求不高的場(chǎng)合得到了有限的應(yīng)用。而Ni代Co硬質(zhì)合金在硬度與耐磨性上與傳統(tǒng)硬質(zhì) 合金的差距，使得它在使用量大的典型硬質(zhì)合金產(chǎn)品(如切削刀具)上的應(yīng)用受到了限制。本發(fā)明真空淬 火和深冷處理相結(jié)合的方法來(lái)改善其性能. 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)目前Ni粘結(jié)WC硬質(zhì)合金綜合性能不高，以及在切削刀具領(lǐng)域應(yīng)用極少的現(xiàn)狀，發(fā)明了一 種真空氣淬和深冷處理相結(jié)合的制備方法，使合金獲得良好的性能。本發(fā)明的Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金的制備方法，其特征是先將WC和Ni的混合粉末在無(wú)水乙醇中進(jìn)行濕 磨、干燥、壓制后進(jìn)行真空燒結(jié)；燒結(jié)完成的同時(shí)往爐中通入氮?dú)膺M(jìn)行真空淬火；然后出爐在液氮中進(jìn)行 深冷處理，并在真空爐中進(jìn)行回火處理；本發(fā)明的Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金的制備方法，其進(jìn)一步的特征在于(1) WC和Ni混合粉的濕磨在滾筒式球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨轉(zhuǎn)速為50 80r/min,研磨時(shí)間為48 56h，研 磨球?yàn)橹睆舰?0mm的WC-8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料比(vrt%)為5: 1;濕磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，并 加入1. 0 2. Owt 4的成型劑聚乙二醇，無(wú)水乙醇加量為250 300ml/Kg;過(guò)濾干燥后的粉末在300 400MPa的壓力下成型;燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，脫成型劑在真空度高于10 15Pa下進(jìn)行，在400'C 600。C之間保溫2 4h;燒結(jié)真空度高于1 5X10—卞a下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1440'C 148(TC，保溫 時(shí)間為1 1.5h。(2) 真空淬火時(shí)氮?dú)鈮毫镺. 1 0.4MPa,淬火吋間為5 10分鐘；深冷處理時(shí)，以20 6CTC/min的速度冷卻到150-196'C;保溫時(shí)間為硬質(zhì)合金的重量X重量系 數(shù)+硬質(zhì)合金的Ni百分含量X成份系數(shù)，其中重量系數(shù)為5 25min/g，成分系數(shù)為10 20min; 保溫結(jié)束后以20 60°C/min的速度升到室溫;真空回火處理的溫度為120 200'C，保溫時(shí)間為1 3h,真空度為2 5X10—2Pa。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用真空氮?dú)獯慊?，快速冷卻，使WC接觸率得到控制；深冷處理能使WC在Ni中的溶解度提高，提 高WC的強(qiáng)化作用，且處理后合金表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，使合金抗沖擊能力提高。采用本發(fā)明的Ni粘結(jié) WC基硬質(zhì)合金制備方法，可實(shí)現(xiàn)Ni對(duì)Co的取代，獲得與WC-Co系硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)男阅堋?br>

圖1本發(fā)明中實(shí)例1的Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金的微觀組織形貌(1500X) 圖2本發(fā)明中實(shí)例2的Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金的微觀組織形貌(1500X)具體實(shí)施方式
實(shí)例1:成份為WC-6wtWNi的混合粉在滾筒式球磨機(jī)中進(jìn)行濕磨，球磨轉(zhuǎn)速為50 80r/min,研磨吋間為 48 56h，研磨球?yàn)橹睆絆10mm的WG-8wtMCo硬質(zhì)合金球，球料比(vrt%)為5: 1;濕磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇， 并加入1.0 2.0vrtM的成型劑聚乙二醇，無(wú)水乙醇加量為250 300ml/Kg;過(guò)濾干燥后的粉末在300 400MPa的壓力下成T,G220404-ZM，其重量為13.4g;燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行,脫成型劑在真空度高于10 15Pa下進(jìn)行，在400'C 600。C之間保溫2-4h;燒結(jié)真空度高于1 5X 10—2Pa下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1440°C 148CTC，保溫時(shí)間為1 1.5h。真空淬火吋氮?dú)鈮毫?. 1 0.4MPa,淬火時(shí)間為5 10分鐘；深冷處理 時(shí)，以20 60°C/min的速度冷卻到！50 196。C;保溫時(shí)間為150 220min;保溫結(jié)束后以20-60°C/min 的速度升到室溫；真空回火處理的溫度為120 200'C，保溫時(shí)間為1 3h,真空度為2 5X10—2Pa。其硬度 為91.1HRA，微觀組織見(jiàn)圖1。實(shí)例2:成份為WC-8vrty。Ni的混合粉在滾筒式球磨機(jī)中進(jìn)行濕磨，球磨轉(zhuǎn)速為50 80r/min,研磨時(shí)間為 48 56h,研磨球?yàn)橹睆浇?0mm的WC-8wt鬼Co硬質(zhì)合金球，球料比(vrt%)為5: 1;濕磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇， 并加入1.0 2.0vrt 4的成型劑聚乙二醇，無(wú)水乙醇加量為250 300ml/Kg;過(guò)濾干燥后的粉末在300 400MPa的壓力下成柳MG120408-ZM，其重量為9. 8g;燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，脫成型劑在真空度高于10 15Pa下進(jìn)行，在400'C 600'C之間保溫2-4h;燒結(jié)真空度高于1 5X 10—2Pa下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為144CTC 148CTC,保溫時(shí)間為1 1.5h。真空淬火時(shí)氮?dú)鈮毫?. 1 0.4MPa，淬火時(shí)間為5 10分鐘；深冷處理 吋，以20 60°C/min的速度冷卻到150 196°C;保溫時(shí)間為100 160min;保溫結(jié)束后以20-60°C/min 的速度升到室溫；真空回火處理的溫度為120 200'C，保溫吋間為1 3h,真空度為2 5X10—2Pa。其硬度 為90.4HRA，微觀組織見(jiàn)圖2。
權(quán)利要求
1. 一種Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金的制備方法，其特征是先將WC和Ni的混合粉末在無(wú)水乙醇中進(jìn)行濕磨、干燥、壓制后進(jìn)行真空燒結(jié)；燒結(jié)完成的同時(shí)往爐中通入氮?dú)膺M(jìn)行真空淬火；然后出爐在液氮中進(jìn)行深冷處理，并在真空爐中進(jìn)行回火處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金的制備方法，其進(jìn)一步的特征在于(1) WG和Ni混合粉的濕磨在滾筒式球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨轉(zhuǎn)速為50 80r/min，研磨時(shí)間 為48 56h,研磨球?yàn)橹睆舰?0mm的WC-8wt%Co硬質(zhì)合金球，球料比(wt%)為5: 1; 濕磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，并加入1.0 2.0wtW的成型劑聚乙二醇，無(wú)水乙醇加量為250 300ml/Kg;過(guò)濾干燥后的粉末在300 400MPa的壓力下成型；燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，脫 成型劑在真空度高于10 15Pa下進(jìn)行，在40CTC 600i:之間保溫2 4h;燒結(jié)真空度高 于1 5X10—2pa下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1440°C 1480°C，保溫時(shí)間為1 1.5h;(2) 真空淬火時(shí)氮?dú)鈮毫?. 1 0.4MPa，淬火時(shí)間為5 10分鐘；(3) 深冷處理時(shí)，以20~60°C/min的速度冷卻到150-196'C;保溫時(shí)間為硬質(zhì)合金的 重量X重量系數(shù)+硬質(zhì)合金的Ni百分含量X成分系數(shù)，其中重量系數(shù)為5 25min/g，成 分系數(shù)為10 20min;保溫結(jié)束后以20 6CTC/min的速度升到室溫；真空回火處理的溫 度為120 200°C，保溫時(shí)間為1 3h，真空度為2 5X10—2Pa。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金的制備方法，其特征是先將WC和Ni的混合粉末在無(wú)水乙醇中進(jìn)行濕磨、干燥、壓制后在1440～1480℃進(jìn)行真空燒結(jié)；燒結(jié)完成的同時(shí)往爐中通入氮?dú)膺M(jìn)行真空淬火，氮?dú)鈮毫?.1～0.4MPa，淬火時(shí)間為5～10分鐘；然后出爐在液氮中進(jìn)行深冷處理，處理溫度為150-196℃，保溫時(shí)間為硬質(zhì)合金的重量×重量系數(shù)+硬質(zhì)合金的重量的Ni百分含量×成分系數(shù)，其中重量系數(shù)為5～25min/g，成分系數(shù)為10～20min；并在真空爐中在120～200℃進(jìn)行回火處理，保溫時(shí)間為1～3h。采用本發(fā)明的Ni粘結(jié)WC基硬質(zhì)合金制備方法，使WC接觸率得到控制，WC在Ni中的溶解度提高，且處理后合金表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，使合金抗沖擊能力提高，因此可實(shí)現(xiàn)Ni對(duì)Co的取代，獲得與WC-Co系硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)男阅堋?br> 文檔編號(hào)C22C1/05GK101397614SQ20081004645
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月4日
發(fā)明者吳悅梅, 梅 楊, 計(jì) 熊, 郭智興, 陳建中 申請(qǐng)人:四川大學(xué)