CN108624772A - 超细晶碳化钨基硬质合金材料及其制备方法 - Google Patents

超细晶碳化钨基硬质合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超细晶碳化钨基硬质合金材料及其制备方法。所述的超细晶碳化钨基硬质合金，以重量百分数计包括钴8％，碳化钨90.2％～90.8％，碳化钒0.2％～0.8％，立方氮化硼1％。本发明采用放电等离子烧结技术，在真空气氛保护下，以100±20℃/min的升温速率持续升温到1250～1300℃，控制压力为30±2Mpa，制得超细晶碳化钨基硬质合金。本发明的硬质合金不但具备较高的硬度，同时还有良好的韧性，综合性能最高的样品硬度达到20.17±0.20GPa，断裂韧性达到12.18±0.2MPa.m1/2，与现今商用的YG8硬质合金相比硬度提高了10～20％，断裂韧性提高了10％～18％。

Description

超细晶碳化钨基硬质合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于放电等离子烧结(SPS)材料技术领域，涉及一种超细晶碳化钨基硬质合金材料及其制备方法。
背景技术
碳化钨(WC)基硬质合金材料是一种高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性材料，适用于高温、摩擦、重载等环境恶劣的工况，也用于航空航天用部件、轴承、高速切削刀具等领域。当晶粒尺寸下降到亚微米级尺寸时，硬质合金材料的强度、硬度、韧性及耐磨性均会获得较大范围提高。尺寸在0.1～0.6μm范围内的超细晶硬质合金具有更高的硬度和耐磨性的同时具有良好韧性，具有更广阔的应用前景。目前，WC基硬质合金的传统烧结工艺主要有：反应烧结、无压烧结、气压烧结、热压烧结和热等静压烧结。但传统烧结存在许多弊端：设备和维护成本高昂；采用热辐射、热传导的加热方式会引起材料内的温度梯度较大，材料内部容易产生残余应力；制备周期长，效率低，不利于材料的批量生产。
SPS烧结技术是一种经济、节能、高效、环保的烧结方式，具有升降温速率快、降低烧结温度、净化颗粒表面、提高致密度、保温时间短性能等优点。将SPS烧结技术应用到陶瓷材料制备领域已成为近年来一个热门的话题，就WC基硬质合金而言，现阶段也有了不少的公开报道。文献1(S.G.Huang,K.Vanmeensel,Tailored sintering of VC-doped WC–Cocemented carbides by pulsed electric current sintering,Int J Refract MaterHard Mater.26(2008)256–262.)制备WC+12wt.％Co+0.9wt.％VC硬质合金，采用SPS技术在1240℃保温2min，硬质合金的硬度为17.3GPa，断裂韧性为9.1MPa.m1/2，晶粒尺寸为0.17μm，但该硬质合金硬度和断裂韧性较低。文献2(Lan Sun,ChengchangJia,Effects ofCr3C2additions on the densification,graingrowth and properties of ultrafineWC–11Co compositesby spark plasma sintering,Int J Refract MaterHard Mater.26(2008)357–361.)制备WC+11wt.％Co+0.6wt.％Cr3C2硬质合金，采用SPS技术在1200℃保温5min，制得的材料致密度为98.4％，硬度为18GPa左右，断裂韧性为13.MPa.m1/2左右。所制得材料由于加入较多的Co，因此其韧性较好，但材料硬度降低。文献3(XIAO Dai-hong,HEYue-hui,Effect of VC and NbC additions on microstructure and propertiesofultrafine WC-10Co cemented carbides,Trans.Nonferrous Met.Soc.China.19(2009)1520-152)中对硬质合金的烧结进行研究，以VC和NbC为抑制剂在1400℃保温60min，研究发现抑制剂的加入能够有效细化晶粒，其中VC的抑制效果最佳。但是以上两者同时加入则会造成性能的下降。
由上可知，目前硬质合金的烧结工艺仍不完善，制备出材料的性能差异比较大，而且现有报道中SPS要是想烧结出韧性较高的硬质合金，通常要加入大量的黏结相，这势必会造成硬度的下降，在低钴状态下同时具有高硬度和高韧性的材料制备还比较少。因此对硬质合金的SPS烧结工艺进行研究并加以完善，优化抑制剂和增强相含量对提高硬质合金力学性能以及促进其产业化具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超细晶碳化钨基硬质合金材料及其制备方法。该材料是在碳化钨基体中添加了适量的抑制剂(碳化钒)和增强相(立方氮化硼)，并通过控制抑制剂和增强相的比例，使材料具有高硬度和高韧性优良的力学性能。
实现本发明目的的技术方案如下：
超细晶碳化钨基硬质合金材料，以重量百分数计，包含如下组分：钴(Co)8％，碳化钨(WC)90.2％～90.8％，碳化钒(VC)0.2％～0.8％，立方氮化硼(cBN)1％。
进一步地，本发明还提供上述超细晶碳化钨基硬质合金材料的制备方法，采用高效节能的烧结技术，通过优化烧结温度、保温时间等工艺参数，实现在短时间内制备出具有较高综合力学性能的硬质合金材料，包括如下步骤：
步骤1，按比例称取Co、WC、VC和cBN粉末，混合，室温下以无水乙醇作为震荡介质，进行超声震荡、搅拌、混粉；
步骤2，将混合粉料干燥，研磨，过筛；
步骤3，将过筛的粉料直接倒入模具中，进行预压；
步骤4，在真空环境中，采用放电等离子烧结工艺，以100±20℃/min的升温速率持续升温到1250～1300℃，控制压力为30±2Mpa，保温，随后随炉冷却，制得超细晶碳化钨基硬质合金。
步骤1中，所述的震荡混合时间为2～3小时。
步骤2中，所述的干燥温度为100～120℃，筛网的目数为100目。
步骤3中，所述的预压压强为10～30Mpa，保压时间为2～4min。
步骤4中，抽真空至5～8pa形成真空环境，保温时间为4～6min，优选为5min。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)与市面上的硬质合金相比，晶粒更加细小，晶粒尺寸保持238～248nm，为超细晶硬质合金；
(2)通过抑制剂和增强相的协同作用，采用了SPS烧结技术制备出的超细晶硬质合金具有优良力学性能及微观组织结构，其中综合性能最高的样品硬度达20.17±0.20GPa，断裂韧性达12.18±0.02MPa.m1/2，与现今商用的YG8硬质合金相比硬度提高了10～20％，断裂韧性提高了10％～18％。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
按质量百分数Co 8％、WC90.8％、VC 0.2％、cBN 1％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10Mpa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为30Mpa；以100℃/min的升温速率将试样加热至1300℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，致密度为材料的98.3％，维氏硬度为20.17±0.2GPa，断裂韧性为12.18±0.2MPa.m1/2，平均晶粒尺寸246nm。
实施例2
按质量百分数Co 8％、WC 90.5％、VC 0.5％、cBN 1％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10Mpa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为30Mpa；以100℃/min的升温速率将试样加热至1300℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，致密度为材料的97.4％，维氏硬度为19.86±0.2GPa，断裂韧性为10.62±0.2MPa.m1/2，平均晶粒尺寸241nm。
实施例3
按质量百分数Co 8％、WC 90.2％、VC 0.8％、cBN 1％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10Mpa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为30Mpa；以100℃/min的升温速率将试样加热至1300℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，致密度为材料的96.8％，维氏硬度为20.48±0.15GPa，断裂韧性为10.78±0.1MPa.m1/2，平均晶粒尺寸238nm。
实施例4
按质量百分数Co 8％、WC 90.8％、VC 0.2％、cBN 1％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10Mpa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为28Mpa；以80℃/min的升温速率将试样加热至1250℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，致密度为材料的98.2％，维氏硬度为19.99±0.2GPa，断裂韧性为11.99±0.1MPa.m1/2，平均晶粒尺寸244nm。
实施例5
按质量百分数Co 8％、WC 90.2％、VC 0.8％、cBN 1％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在30Mpa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为32Mpa；以120℃/min的升温速率将试样加热至1300℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，致密度为材料的97.3％，维氏硬度为19.93±0.2GPa，断裂韧性为10.95±0.1MPa.m1/2，平均晶粒尺寸235nm。
对比例1
按质量百分数Co 8％、WC 82.8％、VC 0.2％、cBN 9％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10Mpa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为28Mpa；以80℃/min的升温速率将试样加热至1250℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，致密度为材料的90.0％，维氏硬度为10.74±0.15GPa，断裂韧性为9.8±0.1MPa.m1/2，平均晶粒尺寸240nm。
此对比例说明过量的cBN会使硬质合金的致密化程度快速降低，由于材料中存在大量的孔隙，以至于其硬度和韧性都会变得很差。
对比例2
按质量百分数Co 8％、WC 82％、VC 1％、cBN 1％进行配料，以无水乙醇为介质，放入硼化锥形瓶中震荡加搅拌2小时，在震荡的过程中适时的加入清水以保证水温一直在室温；震荡混合后烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末直接加入到石墨模具中，在10Mpa压力下保压3分钟；将预压过的压坯放入保温装置并置于放电等离子烧结炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6pa，施加压力为32Mpa；以120℃/min的升温速率将试样加热至1300℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，致密度为材料的92.8％，维氏硬度为18.3±0.25GPa，断裂韧性为8.0±0.2MPa.m1/2，平均晶粒尺寸243nm。
此对比例说明过量的VC会使硬质合金的致密化程度降低，由于材料中存在大量的孔隙，以至于其硬度和韧性降低。

Claims (6)

1.超细晶碳化钨基硬质合金材料，其特征在于，以重量百分数计，包含如下组分：钴8％，碳化钨90.2％～90.8％，碳化钒0.2％～0.8％，立方氮化硼1％。
2.根据权利要求1所述的超细晶碳化钨基硬质合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，按比例称取钴、碳化钨、碳化钒和立方氮化硼粉末，混合，室温下以无水乙醇作为震荡介质，进行超声震荡、搅拌、混粉；
步骤2，将混合粉料干燥，研磨，过筛；
步骤3，将过筛的粉料直接倒入模具中，进行预压；
步骤4，在真空环境中，采用放电等离子烧结工艺，以100±20℃/min的升温速率持续升温到1250～1300℃，控制压力为30±2Mpa，保温，随后随炉冷却，制得超细晶碳化钨基硬质合金。
3.根据权利要求1所述的超细晶碳化钨基硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的震荡混合时间为2～3小时。
4.根据权利要求1所述的超细晶碳化钨基硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的干燥温度为100～120℃，筛网的目数为100目。
5.根据权利要求1所述的超细晶碳化钨基硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的预压压强为10～30Mpa，保压时间为2～4min。
6.根据权利要求1所述的超细晶碳化钨基硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，抽真空至5～8pa形成真空环境，保温时间为4～6min。
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