CN109252081B - 一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金及其制备方法 - Google Patents

一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于硬质合金的技术领域，公开了一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金及其制备方法。所述高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金以高熵合金为粘结相，以碳化钨为硬质相；所述高熵合金的组元为Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni中的至少五种，且每种元素的原子百分比为5～35％。方法：将高熵合金粉与WC粉末混合后进行放电等离子体烧结成型，获得高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金。本发明的碳化钨硬质合金晶粒细小，综合力学性能良好；无需添加晶粒长大抑制剂；显著减少了钴的消耗，降低了原材料成本。

Description

一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金及其制备方法，属于硬质合金技术领域。
背景技术
硬质合金具有高硬度、良好的高温强度及断裂韧性，在工业上得到了广泛的应用，如金属切削的刀具、钻头、拔模等，因而又被誉为“工业的牙齿”。硬质合金由硬质相和粘结相通过粉末冶金工艺制备而成，硬质相为硬质合金提供高硬度，粘结相则为其提供韧性，且通常随着硬度的提高断裂韧性降低。为了提高硬质合金的综合性能，降低成本以适应工业发展的需求，人们对制备超细/纳米晶硬质合金，开发新型粘结相进行了大量的研究。尽管制备超细/纳米晶硬质合金可以提高硬质合金的综合性能，但其工艺复杂，且超细/纳米硬质合金粉末在烧结过程中快速长大使得其失去超细/纳米晶特征，因而需要加入晶粒长大抑制剂。另一方面，虽然一些新型粘结相被开发出来，但是具有磁性和毒性且为战略性资源的钴仍是目前应用最广泛的粘结相，这也是制备新型粘结相面临的重要挑战。
因此，为了进一步提高硬质合金的综合力学性能，同时开发性能优良可替代Co的粘结相，本发明提出以高熵合金为粘结相，采用放电等离子烧结制备综合力学性能良好的超细碳化钨硬质合金。
发明内容
为了克服现有碳化钨硬质合金的缺点和不足，本发明的目的在于提出一种具有良好综合力学性能的超细碳化钨硬质合金及其制备方法。
本发明的高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金中粘结相为固溶体高熵合金，WC为硬质相。通过调整高熵合金粘结相中组元及其含量可以部分或完全替代Co元素，有效降低原材料成本。本发明利用高熵合金对WC晶粒长大的抑制作用，无需添加晶粒长大抑制剂就可实现超细碳化钨硬质合金的制备，且硬质合金具有良好的综合力学性能。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金，以高熵合金为粘结相，以碳化钨(WC)为硬质相；
所述高熵合金的组元(成分)为Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni中的至少五种，且每种元素的原子百分比为5～35％。
所述高熵合金在高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金中质量百分比为5～20％。
所述高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
将高熵合金粉与WC粉末混合后进行放电等离子体烧结成型，获得高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金。所述烧结的条件为：烧结的压力≥30MPa；烧结的温度为1200～1350℃。
所述高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，具体包括以下步骤(1)球磨制备高熵合金粉
将Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni粉末按配比混合均匀，球磨，获得高熵合金粉末；所述球磨在惰性氛围下进行，所述惰性氛围为氩气；所述球磨是指先干磨然后湿磨，湿磨后需干燥；
(2)球磨混料
将高熵合金粉末和WC粉末混匀，球磨，过筛，获得混合物；
所述球磨在惰性氛围下进行，所述惰性氛围为氩气；所述球磨是指先干磨然后湿磨，湿磨后需干燥；
(3)放电等离子烧结成型
将步骤(2)中混合物进行预压，然后置于放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结，冷却，获得高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金；所述烧结的条件为：烧结的压力≥30MPa；烧结的温度为1200～1350℃。
所述烧结具体是指抽真空，调节烧结压力，升温至795～805℃保温，继续升温至1200～1350℃保温烧结。所述升温至795～805℃保温优选为升温至800℃保温。所述保温时间为1～2min。所述1200～1350℃保温烧结的时间为3～6min。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明所述一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金，采用高熵合金为粘结相，通过调整高熵合金粘结相中组元及其含量可以部分或完全替代Co，在保证硬质合金性能的同时减少了Co的消耗，有效降低了原材料成本。
(2)本发明所述一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金，采用高熵合金为粘结相，利用高熵合金对WC晶粒在烧结过程长大的抑制作用，因而无需添加晶粒长大抑制剂就可获得超细晶WC硬质合金。
(3)本发明所述一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金，采用放电等离子烧结工艺进行固结成型。由于放电等离子烧结具有加热速率快、烧结时间短、烧结温度低、冷却速率大等优点，因而在较低的烧结温度下短时烧结可获得致密度良好的硬质合金，且能显著抑制WC晶粒在烧结过程中的长大，有效改善了硬质合金的综合力学性能。
(4)本发明所述一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金，当采用质量分数为10％的AlCoCrCuFeNi高熵合金作为粘结相，在烧结压力30MPa，烧结温度为1250℃，烧结时间为5分钟的工艺条件下，硬质合金的WC平均晶粒大小为238nm，维氏硬度为1922HV30，断裂韧性为10.41MPa m1/2。在相同工艺条件下将粘结相替换为量分数为10％的Al0.5CoCrCuFeNi高熵合金，硬质合金的WC平均晶粒大小为223nm，维氏硬度为2070HV30，断裂韧性为10.27MPam1/2。
附图说明
图1是实施例1所得到的基于高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的X射线衍射图；
图2是实施例1所得到的基于高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯度大于99.9％，平均粒径小于45μm的Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni粉末按摩尔比为1:1:1:1:1:1的配比称取，混合均匀后置入硬质合金球磨罐中，并按照10:1的球料比装入硬质合金磨球，将球磨罐抽真空后充入高纯氩气；随后在300转/分钟的转速下干磨40小时，接着进行2小时的湿磨(湿磨介质为乙醇)，得到高熵合金粉末；球磨过程完成后将高熵合金粉末放入真空干燥箱中在70℃的温度下干燥48小时，并过300#分样筛，制粒；
2)将15g步骤1)的高熵合金粉末和135g纯度大于99.5％，平均粒径为0.8μm的WC粉末，置入罐中在混粉机上混料5小时，随后在氩气的保护下进行30小时的干磨，然后进行2小时的湿磨；其中球磨时的球料比为5:1，湿磨介质为乙醇，球磨的转速为300转/分钟；球磨过程完成后将混合粉末置入真空干燥箱中干燥，过100#分样筛，制粒，获得混合粉末；
3)将25g步骤2)的混合粉末装入石墨模具直径为20mm的模腔中初步压制成样品，将样品装入放电等离子烧结炉中，抽至真空小于10Pa，调节烧结压力至30MPa，然后以100℃/min的升温速度升温至800℃保温2分钟，便于粉末中吸附的气体释放，再升温至1250℃(升温速度100℃/min)保温5分钟，最后随炉冷却至100℃，即获得WC平均晶粒大小为238nm，维氏硬度为1922HV30，断裂韧性为10.41MPa m1/2的基于高熵合金粘结相的超细碳化钨硬质合金。图1是实施例1所得到的基于高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的X射线衍射图；图2是实施例1所得到的基于高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的扫描电镜图。
实施例2
一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯度大于99.9％，平均粒径小于45μm的Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni粉末按摩尔比为1:1:1:1:1:1的配比称取，混合均匀后置入硬质合金球磨罐中，并按照10:1的球料比装入硬质合金磨球，将球磨罐抽真空后充入高纯氩气；随后在300转/分钟的转速下干磨40小时，接着进行2小时的湿磨(湿磨介质为乙醇)，得到高熵合金粉末；球磨过程完成后将高熵合金粉末放入真空干燥箱中在70℃的温度下干燥48小时，并过300#分样筛，制粒；
2)将7.5g步骤1)的高熵合金粉末和142.5g纯度大于99.5％，平均粒径为0.8μm的WC粉末，置入罐中在混粉机上混料5小时，随后在氩气的保护下进行30小时的干磨，然后进行2小时的湿磨；其中球磨时的球料比为5:1，湿磨介质为乙醇，球磨的转速为300转/分钟；球磨过程完成后将混合粉末置入真空干燥箱中干燥，过100#分样筛，制粒，获得混合粉末；
3)称取步骤2)的混合粉末25g，装入石墨模具直径为20mm的模腔中初步压制成样品；将样品装入放电等离子烧结炉中，抽至真空小于10Pa，调节烧结压力至30MPa，然后以100℃/min的升温速度升温至800℃保温2分钟，便于粉末中吸附的气体释放，再升温至1250℃(升温速度100℃/min)保温5分钟，最后随炉冷却至100℃，即获得WC平均晶粒大小为256nm，维氏硬度为2033HV30，断裂韧性为9.71MPa m1/2的基于高熵合金粘结相的超细碳化钨硬质合金。
实施例3
一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯度大于99.9％，平均粒径小于45μm的Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni粉末按摩尔比为0.5:1:1:1:1:1的配比称取，混合均匀后置入硬质合金球磨罐中，并按照10:1的球料比装入硬质合金磨球，将球磨罐抽真空后充入高纯氩气；随后在300转/分钟的转速下干磨40小时，接着进行2小时的湿磨(湿磨介质为乙醇)，得到高熵合金粉末；球磨过程完成后将高熵合金粉末放入真空干燥箱中在70℃的温度下干燥48小时，并过300#分样筛，制粒；
2)将15g步骤1)的高熵合金粉末和135g纯度大于99.5％，平均粒径为0.8μm的WC粉末，置入罐中在混粉机上混料5小时，随后在氩气的保护下进行30小时的干磨，然后进行2小时的湿磨；其中球磨时的球料比为5:1，湿磨介质为乙醇，球磨的转速为300转/分钟；球磨过程完成后将混合粉末置入真空干燥箱中干燥，过100#分样筛，制粒，获得混合粉末；
3)称取步骤2)的混合粉末25g，装入石墨模具直径为20mm的模腔中初步压制成样品，将样品装入放电等离子烧结炉中，抽至真空小于10Pa，调节烧结压力至30MPa，然后以100℃/min的升温速度升温至800℃保温2分钟，便于粉末中吸附的气体释放，再升温至1250℃(升温速度100℃/min)保温5分钟，最后随炉冷却至100℃，即获得WC平均晶粒大小为223nm，维氏硬度为2070HV30，断裂韧性为10.27MPa m1/2的基于高熵合金粘结相的超细碳化钨硬质合金。
实施例4
一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯度大于99.9％，平均粒径小于45μm的Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni粉末按摩尔比为1.5：1:1:1:1:1的配比称取，混合均匀后置入硬质合金球磨罐中，并按照10:1的球料比装入硬质合金磨球，将球磨罐抽真空后充入高纯氩气。随后在300转/分钟的转速下干磨40小时，接着进行2小时的湿磨(湿磨介质为乙醇)，得到高熵合金粉末；球磨过程完成后将高熵合金粉末放入真空干燥箱中在70℃的温度下干燥48小时，并过300#分样筛，制粒；
2)将15g步骤1)的高熵合金粉末和135g纯度大于99.5％，平均粒径为0.8μm的WC粉末，置入罐中在混粉机上混料5小时，随后在氩气的保护下进行30小时的干磨，然后进行2小时的湿磨；其中球磨时的球料比为5:1，湿磨介质为乙醇，球磨的转速为300转/分钟；球磨过程完成后将混合粉末置入真空干燥箱中干燥，过100#分样筛，制粒，获得混合粉末；
3)称取步骤2)的混合粉末25g，装入石墨模具直径为20mm的模腔中初步压制成样品；将样品装入放电等离子烧结炉中，抽至真空小于10Pa，调节烧结压力至30MPa，然后以100℃/min的升温速度升温至800℃保温2分钟，便于粉末中吸附的气体释放，再升温至1250℃(升温速度100℃/min)保温5分钟，最后随炉冷却至100℃，即获得WC平均晶粒大小为238nm，维氏硬度为2127HV30，断裂韧性为9.89MPa m1/2的基于高熵合金粘结相的超细碳化钨硬质合金。
对比例
一种碳化钨硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
1)称取纯度大于99.9％，平均粒径小于45μm的Co粉末15g和135g纯度大于99.5％，平均粒径为0.8μm的WC粉末，置入罐中在混粉机上混料5小时，随后在氩气的保护下进行30小时的干磨，然后进行2小时的湿磨；其中球料比为5:1，湿磨介质为乙醇，球磨的转速为300转/分钟；球磨过程完成后将混合粉末置入真空干燥箱中干燥，过100#分样筛，制粒，获得混合粉末；
2)称取步骤1)的混合粉末25g，装入石墨模具直径为20mm的模腔中初步压制成样品。将样品装入放电等离子烧结炉中，抽至真空小于10Pa，调节烧结压力至30MPa，然后以100℃/min的升温速度升温至800℃保温2分钟，便于粉末中吸附的气体释放，再升温至1250℃(升温速度100℃/min)保温5分钟，最后随炉冷却至100℃，获得WC平均晶粒大小为536nm，维氏硬度为1736HV30，断裂韧性为12.99MPa m1/2的WC-Co硬质合金。
在相同工艺参数下，WC-Co硬质合金的WC平均晶粒大小显著大于高熵合金粘结相的超细碳化钨硬质合金的WC平均晶粒大小，其维氏硬度HV30明显低于高熵合金粘结相的超细碳化钨硬质合金的维氏硬度，但其断裂韧性要高于高熵合金粘结相的超细碳化钨硬质合金的断裂韧性。同时，高熵合金粘结相的超细碳化钨硬质合金的综合力学性能要优于同等粒度的商用WC-CO硬质合金，如Chen等人报道牌号为EF05的WC-Co硬质合金其维氏硬度和断裂韧性分别为1900HV30，9.1MPa m1/2。

Claims (5)

1.一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将高熵合金粉与WC粉末混合后进行放电等离子体烧结成型，获得高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金；
所述烧结具体是指抽真空，调节烧结压力，升温至795~805℃保温，继续升温至1200~1350℃保温烧结；烧结的压力≥30MPa；所述保温时间为1~2min；所述1200~1350℃保温烧结的时间为3~6min；
所述高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金，以高熵合金为粘结相，以碳化钨为硬质相；所述高熵合金的组元为Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni中的至少五种，且每种元素的原子百分比为5~35%。
2.根据权利要求1所述高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：所述升温至795~805℃保温为升温至800℃保温。
3.根据权利要求1所述高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：所述高熵合金在高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金中质量百分比为5~20%。
4.根据权利要求1~3任一项所述高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）球磨制备高熵合金粉
将Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni粉末按配比混合均匀，球磨，获得高熵合金粉末；所述球磨在惰性氛围下进行；
（2）球磨混料
将高熵合金粉末和WC粉末混匀，球磨，过筛，获得混合物；所述球磨在惰性氛围下进行；
（3）放电等离子烧结成型
将步骤（2）中混合物进行预压，然后置于放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结，冷却，获得高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金。
5.根据权利要求4所述高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述惰性氛围为氩气；所述球磨是指先干磨然后湿磨，湿磨后需干燥；
步骤（2）中所述惰性氛围为氩气；所述球磨是指先干磨然后湿磨，湿磨后需干燥。
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