一種用微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微波反應(yīng)燒結(jié)方法制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法，屬于微波高溫應(yīng)用和硬質(zhì)合金制備【技術(shù)領(lǐng)域】。W粉、Co粉和C粉的配料、混合、壓制成形后用微波加熱的方式進(jìn)行燒結(jié)，所述的微波反應(yīng)燒結(jié)是將W-Co-C壓坯、微波輔助加熱材料等一同放置于透波材料組成的保溫結(jié)構(gòu)中，在微波高溫爐腔內(nèi)進(jìn)行，以10～150℃/min的升溫速度將材料加熱至1100～1400℃后保溫1～60min得到WC-Co硬質(zhì)合金；本發(fā)明與傳統(tǒng)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法相比，具有工藝流程極大簡化、操作過程簡單、制備周期縮短、能源消耗降低，所制備的合金WC晶粒十分細(xì)小，可以代替現(xiàn)有的WC-Co硬質(zhì)合金的生產(chǎn)工藝，采用連續(xù)式或者間歇式微波燒結(jié)爐進(jìn)行生產(chǎn)。
【專利說明】—種用微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-C0硬質(zhì)合金的方法，屬于微波高溫應(yīng)用和硬質(zhì)合金制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金是通過粉末冶金方法生產(chǎn)的，由難熔金屬化合物(WC、TiC, TaC, NbC等)和粘結(jié)金屬(Co、N1、Fe等)組成的具有高耐磨性、強(qiáng)抗變形能力、優(yōu)耐腐蝕性能的復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于切削刀具、鑿巖工具、耐磨零件和成形模具等。傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的制備方法工藝流程復(fù)雜、制備時間較長，從WC粉末的合成、WC-Co粉的濕磨、干燥、篩分、壓制成形，再到粘結(jié)劑的脫除和燒結(jié)，整個制備過程需要幾十個小時的時間。對于硬質(zhì)合金的制備來說，每一個工藝中出現(xiàn)的問題都會直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此制備流程越長需要克服的問題就越多。尤其是在制備超細(xì)硬質(zhì)合金時，由于超細(xì)粉末極易氧化，因此對制備的條件和環(huán)境要求很高，合金的制造成本也居高不下。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種在微波燒結(jié)基礎(chǔ)上的更簡潔更直接的生產(chǎn)WC-Co硬質(zhì)合金的方法。所制備的WC-Co硬質(zhì)合金顯微組織結(jié)構(gòu)均勻，WC晶粒細(xì)小。采用本發(fā)明方法可以將WC粉末的制備、WC破碎和分級等一系列步驟省去，通過簡單的將W-C0-C粉末壓坯進(jìn)行壓制和微波燒結(jié)，便可以在間歇式或者連續(xù)式微波加熱爐中進(jìn)行生產(chǎn)。
[0004]本發(fā)明的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法為:
(1)將W粉、Co粉和C粉按照質(zhì)量百分比91~66wt%:3~30wt%:6~4wt%球磨混合均勻后真空干燥(其中碳含量需要根據(jù)W和Co中的氧含量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整)，然后向混合料中添加O~2.0%的成形劑，在100~500MPa壓力下壓制成形，得到W-Co-C粉末壓坯；
(2)將W-Co-C粉末壓坯加熱至250~600°C保溫2~IOh后冷卻至室溫，然后將其與強(qiáng)吸波輔助加熱材料放置于透波的保溫裝置中，(可以在壓坯的周圍填充填料，使材料中的溫度場分布更加均勻，填料既可以是吸波材料也可以使透波材料)再將保溫裝置置于微波爐腔內(nèi)，腔體內(nèi)的真空度為5~lOOPa，通入保護(hù)氣氛，保持爐腔內(nèi)的壓強(qiáng)為(0.8~
1.5) X IO5Pa,調(diào)節(jié)微波的輸出功率，使得W-Co-C粉末壓坯以10~150°C /min的升溫速率加熱至1100~1400°C后保溫I~60min，關(guān)閉微波源，使得W-Co-C粉末壓坯以20~60°C /min的降溫速率冷卻，即可以獲得WC-Co硬質(zhì)合金。
[0005]所述W粉的費氏粒度為0.60~60.00微米，純度高于99.0% ;Co粉費氏粒度為
0.6~3.0微米，純度高于99.9% ;C粉為任意粒度(炭黑粒度不影響混合效果)，純度高于99.0%。
[0006]所述球磨時采用的介質(zhì)是無水乙醇，轉(zhuǎn)速為80~120rpm,球料比3:1,球磨時間2 ~10h。
[0007]所述成形劑為石蠟或丁鈉橡膠。[0008]所述壓制成形時，在磨具上涂抹一定量的硬脂酸鋅酒精溶液可以提高磨具的潤滑性和壓坯的成形性。
[0009]所述強(qiáng)吸波輔助加熱材料為碳化硅板或石墨板，W-Co-C粉末壓坯與強(qiáng)吸波輔助加熱材料是按照W-Co-C壓坯的尺寸進(jìn)行添加，每立方厘米W-Co-C壓坯的碳化硅板添加量為5 ~30go
[0010]所述透波的保溫裝置是指利用具有透波性能的材料制成的保溫裝置，例如氧化鋁纖維。
[0011]所述填料為純氧化鋁粉末或石墨的一種或兩種的混合物，純氧化鋁粉末和石墨混合物的質(zhì)量比為I~99:99~I。
[0012]所述保護(hù)氣氛為氮氣、IS氣一種或兩種的混合氣氛，或者是氮氣、IS氣與氫氣的混合氣氛，其中氮氣保護(hù)氣氛的純度為> 99.9%。
[0013]所述微波高溫爐腔體采用真空泵進(jìn)行抽真空。
[0014]所述測溫裝置為高溫紅外測溫儀。
[0015]本發(fā)明由于采用上述工藝方法，利用微波加熱具有整體加熱、快速升溫、非熱效應(yīng)等一系列傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)加熱方式不具備的特點，這些加熱特性通常會賦予材料晶粒細(xì)小、原子擴(kuò)散充分、快速完成致密化等的特點，使材料具有力學(xué)性能更優(yōu)異和物理化學(xué)更突出的特性。不僅如此，微波燒結(jié)工藝還具有熱利用率高、環(huán)境友好、操作簡單等特點。本發(fā)明則是結(jié)合了微波加熱的優(yōu)勢，然后通過利用W粉末和C粉末發(fā)生合成反應(yīng)時產(chǎn)生的化學(xué)潛熱來為合金的燒結(jié)提供能量，不是其他文獻(xiàn)中所提到的用WC粉末和Co粉末作為硬質(zhì)合金的燒結(jié)制備原料，而是采用W粉、C粉和Co粉的混合料作為硬質(zhì)合金的初始原料，從而不僅省去了傳統(tǒng)制備硬質(zhì)合金過程中WC粉末的合成、WC顆粒的破碎分級等冗長的工藝流程，而且極大程度地利用了化學(xué)反應(yīng)潛熱，節(jié)省了能量損耗。與現(xiàn)有的硬質(zhì)合金制備方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
(1)本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單、工藝流程少、制備成本顯著降低。由于微波能夠與粉末壓坯中的耦合單元直接作用產(chǎn)生熱量，而且伴隨著W粉和C粉之間化學(xué)反應(yīng)潛熱的釋放，因此整個壓坯升溫速率快，加熱均勻。采用微波反應(yīng)燒結(jié)方法制備WC-Co硬質(zhì)合金僅僅1-2個小時就可以完成整個WC-Co硬質(zhì)合金的燒結(jié)過程。另外，由于微波加熱具有與傳統(tǒng)熱傳動加熱方式相反的內(nèi)高外低的溫度梯度，因此壓坯材料在微波燒結(jié)后不會出現(xiàn)鼓泡變形的情況；
(2)本發(fā)明相比常規(guī)燒結(jié)方法制備的合金，由于制備的WC-Co硬質(zhì)合金中的WC
晶粒以原始W晶粒為晶還孕育而成，因此晶粒具有和W晶粒相當(dāng)?shù)某叽绾头植?，顯微組織更加均勻；
(3)本發(fā)明將硬質(zhì)合金生產(chǎn)的流程極大的簡化，因此制備WC-Co硬質(zhì)合金的時間 和成本均顯著降低，生產(chǎn)周期為常規(guī)燒結(jié)周期的1/5-1/8。
[0016]綜上所述，本發(fā)明工藝簡單、操作簡便、燒結(jié)周期短、能量消耗低，所制備的WC-Co硬質(zhì)合金顯微組織均勻，WC晶粒細(xì)小，可以代替現(xiàn)有的WC-Co硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝，能采用間歇式和連續(xù)式的微波燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0017]圖1是本發(fā)明微波反應(yīng)燒結(jié)制備的WC-Co硬質(zhì)合金的XRD衍射譜圖；圖2是本發(fā)明微波反應(yīng)燒結(jié)1200°C、IOmin制備的WC-Co硬質(zhì)合金8000倍的SEM圖像
圖；
圖3是本發(fā)明微波反應(yīng)燒結(jié)1300°C、Imin制備WC-Co硬質(zhì)合金8000倍的SEM圖像?！揪唧w實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]實施方式一:本實施例的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法為:
(I)將W粉、Co粉和C粉按照質(zhì)量百分比91wt%:6wt%: 4wt%球磨(采用的介質(zhì)是無水乙醇，轉(zhuǎn)速為120rpm，球料比3:1，球磨時間4h)混合均勻后真空干燥，然后向混合料中添加
2.0%的成形劑石臘,在200MPa壓力下壓制直徑為18mm,高6mm的圓柱形壓還,得到W-Co-C粉末壓坯；W粉的費氏粒度為0.7~0.8微米，純度高于99.0% ；Co粉費氏粒度為0.8~1.0微米，純度高于99.9% ；C粉純度高于99.0%。
[0020](2)將W-Co-C粉末壓坯加熱至250~350°C保溫6h后冷卻至室溫，然后將其與強(qiáng)吸波輔助加熱材料(碳化硅板，W-Co-C粉末壓坯與強(qiáng)吸波輔助加熱材料是按照W-Co-C壓坯的尺寸進(jìn)行添加，每立方厘米W-Co-C壓坯的碳化硅板添加量為30g)放置于透波的保溫裝置中，再將保溫裝置置于微波爐腔內(nèi)，腔體內(nèi)的真空度為lOOPa，通入保護(hù)氣氛(氣氛為氮氣和氬氣任意比例混合氣體)，保持爐腔內(nèi)的壓強(qiáng)為1.5X105Pa，調(diào)節(jié)微波的輸出功率，使得W-Co-C粉末壓坯以30~50°C /min的升溫速率加熱至1200°C后保溫lOmin，關(guān)閉微波源，使得W-Co-C粉末壓坯以30~40°C /min的降溫速率冷卻，即可以獲得WC-Co硬質(zhì)合金。如圖1和2所示，冷卻后的合金進(jìn)行XRD衍射分析后發(fā)現(xiàn)，合金中的相主要以WC相的形式存在，SEM圖像中可以看出WC晶粒細(xì)小且分布均勻。
[0021]實施方式二:本實施 例的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法為:
(I)將W粉、Co粉和C粉按照質(zhì)量百分比66wt%: 28wt%:6wt%球磨(采用的介質(zhì)是無水乙醇，轉(zhuǎn)速為80rpm，球料比3:1，球磨時間IOh)混合均勻后真空干燥，然后向混合料中添加1.0%的成形劑丁鈉橡膠，在400MPa壓力下壓制成形，得到W-Co-C粉末壓坯；W粉的費氏粒度為0.60~0.8微米，純度高于99.0% ；Co粉費氏粒度為1.5~2.0微米，純度高于99.9% ；C粉純度高于99.0%。
[0022](2)將W-Co-C粉末壓坯加熱至250°C保溫IOh后冷卻至室溫，然后將其與強(qiáng)吸波輔助加熱材料(石墨板，W-Co-C粉末壓坯與強(qiáng)吸波輔助加熱材料是按照W-Co-C壓坯的尺寸進(jìn)行添加，每立方厘米W-Co-C壓坯的碳化硅板添加量為5g)放置于透波的保溫裝置中，再將保溫裝置置于微波爐腔內(nèi)，腔體內(nèi)的真空度為80Pa，通入保護(hù)氣氛(氣氛為氮氣)，保持爐腔內(nèi)的壓強(qiáng)為0.8 X IO5Pa,調(diào)節(jié)微波的輸出功率，使得W-Co-C粉末壓坯以10°C /min的升溫速率加熱至1300°C后保溫lmin，關(guān)閉微波源，使得W-Co-C粉末壓坯以20°C /min的降溫速率冷卻，即可以獲得WC-Co硬質(zhì)合金。如圖3所示，冷卻后的合金進(jìn)行SEM掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，WC晶粒細(xì)小且分布均勻。
[0023]實施方式三:本實施例的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法為:
(I)將W粉、Co粉和C粉按照質(zhì)量百分比66wt%:30wt%:6wt%球磨(采用的介質(zhì)是無水乙醇，轉(zhuǎn)速為lOOrpm，球料比3:1，球磨時間2h)混合均勻后真空干燥，然后在IOOMPa壓力下壓制成形，得到W-Co-C粉末壓坯；胃粉的費氏粒度為0.8~60.0O微米，純度高于99.0% ；Co粉費氏粒度為0.6~0.8微米，純度高于99.9% ；C粉純度高于99.0%。
[0024](2)將W-Co-C粉末壓坯加熱至600°C保溫2h后冷卻至室溫，然后將其與強(qiáng)吸波輔助加熱材料(碳化硅板，W-Co-C粉末壓坯與強(qiáng)吸波輔助加熱材料是按照W-Co-C壓坯的尺寸進(jìn)行添加，每立方厘米W-Co-C壓坯的碳化硅板添加量為24g)放置于透波的保溫裝置中，再將保溫裝置置于微波爐腔內(nèi)，腔體內(nèi)的真空度為5Pa，通入保護(hù)氣氛(氣氛為氬氣)，保持爐腔內(nèi)的壓強(qiáng)為1.2X105Pa，調(diào)節(jié)微波的輸出功率，使得W-Co-C粉末壓坯以150°C /min的升溫速率加熱至1100°C后保溫60min，關(guān)閉微波源，使得W-Co-C粉末壓坯以60°C /min的降溫速率冷卻，即可以獲得WC-Co硬質(zhì)合金。
[0025]實施方式四:本實施例的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法為:
(I)將W粉、Co粉和C粉按照質(zhì)量百分比91wt%:3wt%:6wt%球磨(采用的介質(zhì)是無水乙醇，轉(zhuǎn)速為90rpm，球料比3:1，球磨時間8h)混合均勻后真空干燥，然后向混合料中添加
1.6%的成形劑石蠟或丁鈉橡膠，在500MPa壓力下壓制成形，得到W-Co-C粉末壓坯；W粉的費氏粒度為0.60~60.00微米，純度高于99.0% ；Co粉費氏粒度為2~3微米，純度高于99.9% ；C粉純度高于99.0%。
[0026](2)將W-Co-C粉末壓坯加熱至400°C保溫2h后冷卻至室溫，然后將其與強(qiáng)吸波輔助加熱材料(石墨板，W-Co-C粉末壓坯與強(qiáng)吸波輔助加熱材料是按照W-Co-C壓坯的尺寸進(jìn)行添加，每立方厘米W-Co-C壓坯的碳化硅板添加量為19g)放置于透波的保溫裝置中，再將保溫裝置置于微波爐腔內(nèi)，腔體內(nèi)的真空度為30Pa，通入保護(hù)氣氛(氣氛為氬氣)，保持爐腔內(nèi)的壓強(qiáng)為1.4X IO5Pa,調(diào)節(jié)微波的輸出功率，使得W-Co-C粉末壓坯以90°C /min的升溫速率加熱至1400°C后保溫60min，關(guān)閉微波源，使得W-Co-C粉末壓坯以20°C /min的降溫速率冷卻，即可以獲得WC-Co硬質(zhì)合金。
[0027]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具`備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-C0硬質(zhì)合金的方法，其特征在于具體步驟包括: (1)將W粉、Co粉和C粉按照質(zhì)量百分比91~66wt%:3~30wt%:6~4wt%球磨混合均勻后真空干燥，然后向混合料中添加O~2.0%的成形劑，在100~500MPa壓力下壓制成形，得到W-Co-C粉末壓還； (2)將W-Co-C粉末壓坯加熱至250~600°C保溫2~IOh后冷卻至室溫，然后將其與強(qiáng)吸波輔助加熱材料放置于透波的保溫裝置中，再將保溫裝置置于微波爐腔內(nèi)，腔體內(nèi)的真空度為5~lOOPa，通入保護(hù)氣氛，保持爐腔內(nèi)的壓強(qiáng)為(0.8~1.5) X IO5Pa,調(diào)節(jié)微波的輸出功率，使得W-Co-C粉末壓坯以10~150°C /min的升溫速率加熱至1100~1400°C后保溫I~60min，關(guān)閉微波源，使得W-Co-C粉末壓坯以20~60°C /min的降溫速率冷卻，即可以獲得WC-Co硬質(zhì)合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法，其特征在于:所述W粉的費氏粒度為0.60~60.00微米，純度高于99.0% ；Co粉費氏粒度為0.6~3.0微米，純度高于99.9% ；C粉純度高于99.0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法，其特征在于:所述球磨時米用的介質(zhì)是無水乙醇,轉(zhuǎn)速為80~120rpm,球料比3:1,球磨時間2~10h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法，其特征在于:所述成形劑為石蠟或丁鈉橡膠。
5.根據(jù)權(quán)利 要求1所述的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法，其特征在于:所述強(qiáng)吸波輔助加熱材料為碳化硅板或石墨板，W-Co-C粉末壓坯與強(qiáng)吸波輔助加熱材料是按照W-Co-C壓坯的尺寸進(jìn)行添加，每立方厘米W-Co-C壓坯的碳化硅板添加量為5~30g。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法，其特征在于:所述透波的保溫裝置是指利用具有透波性能的材料制成的保溫裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波反應(yīng)燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金的方法，其特征在于:所述保護(hù)氣氛為氮氣、IS氣一種或兩種的混合氣氛，或者是氮氣、IS氣與氫氣的混合氣氛，其中氮氣保護(hù)氣氛的純度為> 99.9%。
【文檔編號】C22C1/05GK103695685SQ201310729889
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】鮑瑞, 易健宏, 李鳳仙, 談松林, 張家敏, 游昕 申請人:昆明理工大學(xué)