CN115286391A - 一种无粘结剂硬质合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种无粘结剂硬质合金材料及其制备方法，包括以下步骤：将碳化钨粉末、三氧化二钇、钴粉末、碳化钽、碳化钒一起置于振动罐中进行振动处理，形成混合粉末；加入无水乙醇溶液中，进行超声波分散处理；将上述分散有混合粉末的乙醇溶液干燥，在氢气气氛中还原得到均匀分散的混合粉体；将混合粉体放入球磨设备中球磨，取出后再次干燥，进行三次烧结处理，获得无粘结剂的硬质合金材料成品。本发明有效提升材料的致密度和综合力学性能，硬度、强度都较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质合金，具体地说是一种无粘结剂硬质合金材料及其制备方法。
背景技术
硬质合金，由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。
硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造切削工具、刀具、钻具和耐磨零部件，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域。
目前的硬质合金在制备过程中，通常会添加粘结相，粘结相的主要作用是将难熔的碳化物颗粒粘结在一起，促进烧结致密化，提高材料的强度。但是额外添加粘结相，不仅降低了材料的硬度、耐腐蚀性、耐氧化性等，还会因为碳化钨和粘结相的热膨胀系数不同，而在材料内部产生热应力。同时，高温下金属粘结相会发生软化，影响硬质合金性能的缺陷。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明申请采取以下技术方案：
一种无粘结剂硬质合金材料，由以下按照重量份数计的组分构成：
碳化钨粉末65-75份、三氧化二钇15-25份，钴粉末1-2份，碳化钽2-3份，碳化钒1-2份。
一种无粘结剂硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳化钨粉末、三氧化二钇、钴粉末、碳化钽、碳化钒一起置于振动罐中，充入氮气，振动罐中放置有若干个振动球，启动振动罐进行振动处理，形成混合粉末；
将混合粉末添加入无水乙醇溶液中，使混合粉末完全被浸湿，并且进行超声波分散处理，使混合粉末均匀分散在无水乙醇溶液中；
将上述分散有混合粉末的乙醇溶液在60～100℃温度、真空度＜10Pa 下干燥，在氢气气氛中还原得到均匀分散的混合粉体；
将混合粉体放入球磨设备中球磨，取出后再次干燥；
在氩气气体保护下进行第一次烧结，先升温至120-180℃保温1小时，继续升温至200-280℃保温1-2小时，压力为200-300Mpa，接着然后自然冷却到室温，室温为20-30℃；
然后进行第二次烧结，放于放电等离子烧结炉中，以70-80℃/min 的速率升温，升温到800-900℃，保温2小时，炉内压力保持在300-350Mpa，接着在20-30分钟内冷却到60-80℃；
接着在放电等离子烧结炉中进行第三次烧结，以90-100℃/min的速率升温，升温到1350-1450℃，保温1小时，炉内压力保持在350-400Mpa，然后在15-20分钟内冷却到室温，获得无粘结剂的硬质合金材料成品。
所述超声波分散处理时，超声频率：50-100kHz，超声时间30-70min。
所述对分散有混合粉末的乙醇溶液还原时，采用强排水透气式管式炉，还原温度：300-500℃，还原时间：50-90min，氢气流量： 20-50ml/(min·cm2)。
所述球磨时，以酒精为湿磨介质，球料比为1:2-3，球磨时间为20-28h。
所述混合粉末添加入无水乙醇溶液中时，还添加分散剂。
所述分散剂为六偏磷酸钠。
本发明申请中，通过振动处理，使得粉末能够产生纳米结构，对于后续的超声处理，能够进行更好的渗透结合，通过多次不同温度的烧结处理，有效提升了抗拉强度和断裂韧性。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例一
一种无粘结剂硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳化钨粉末65份、三氧化二钇15份，钴粉末1份，碳化钽2份，碳化钒1份一起置于振动罐中，充入氮气，振动罐中放置有若干个振动球，启动振动罐进行振动处理，形成混合粉末。启动振动罐使振动罐按照设定的频率振动，使碰撞球体与混合粉末持续的碰撞接触，碰撞频率为20HZ，碰撞时间为30分钟。利用振动处理，通过碰撞，使得粉末形成纳米晶体结构，有利于成型后的致密性的提升。
将混合粉末添加入无水乙醇溶液中，使混合粉末完全被浸湿，并且进行超声波分散处理，使混合粉末均匀分散在无水乙醇溶液中。还添加入分散剂，确保粉末能够均匀分散，避免团聚。超声频率：50-kHz，超声时间 70min。
将上述分散有混合粉末的乙醇溶液在60℃温度、真空度10Pa下干燥，在氢气气氛中还原得到均匀分散的混合粉体。
将混合粉体放入球磨设备中球磨，取出后再次干燥，以酒精为湿磨介质，球料比为1:2，球磨时间为28h。
在氩气气体保护下进行第一次烧结，先升温至120℃保温1小时，继续升温至200℃保温2小时，压力为200Mpa，接着然后自然冷却到室温，室温为20℃。通过第一次烧结后冷却，可以对粉末的致密性起到提升作用。
然后进行第二次烧结，放于放电等离子烧结炉中，以70℃/min的速率升温，升温到800℃，保温2小时，炉内压力保持在300Mpa，接着在20 分钟内冷却到80℃。在冷却后再进行第二次烧结，进一步提升致密性，从而提升整体的硬度、抗拉强度。
接着在放电等离子烧结炉中进行第三次烧结，以90℃/min的速率升温，升温到1350℃，保温1小时，炉内压力保持在350Mpa，然后在20分钟内冷却到室温，获得无粘结剂的硬质合金材料成品。
通过超声分散，然后又进行球磨处理，得到了纳米级的混合物，上述过程中，不仅仅实现了原料的均匀混合以及混合物粒度上纳米级的细化，显著地降低反应活化能，促进固态离子扩散，诱发低温化学反应；而且在高能球磨过程中，极大地提高粉末活性从而实现粉体烧结驱动力的提高，使得混合物在后续的烧结过程中更好实现均匀致密化烧结。
所述对分散有混合粉末的乙醇溶液还原时，采用强排水透气式管式炉，还原温度：300℃，还原时间：90min，氢气流量：50ml/(min·cm2)。
实施例二
一种无粘结剂硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳化钨粉末70份、三氧化二钇20份，钴粉末1份，碳化钽2份，碳化钒2份一起置于振动罐中，充入氮气，振动罐中放置有若干个振动球，启动振动罐进行振动处理，形成混合粉末。启动振动罐使振动罐按照设定的频率振动，使碰撞球体与混合粉末持续的碰撞接触，碰撞频率为30HZ，碰撞时间为40分钟。利用振动处理，通过碰撞，使得粉末形成纳米晶体结构，有利于成型后的致密性的提升。
将混合粉末添加入无水乙醇溶液中，使混合粉末完全被浸湿，并且进行超声波分散处理，使混合粉末均匀分散在无水乙醇溶液中。还添加入分散剂，确保粉末能够均匀分散，避免团聚。超声频率：30kHz，超声时间 60min。
将上述分散有混合粉末的乙醇溶液在80℃温度、真空度8Pa下干燥，在氢气气氛中还原得到均匀分散的混合粉体。
将混合粉体放入球磨设备中球磨，取出后再次干燥，以酒精为湿磨介质，球料比为1:3，球磨时间为20h。
在氩气气体保护下进行第一次烧结，先升温至160℃保温1小时，继续升温至250℃保温2小时，压力为250Mpa，接着然后自然冷却到室温，室温为25℃。通过第一次烧结后冷却，可以对粉末的致密性起到提升作用。
然后进行第二次烧结，放于放电等离子烧结炉中，以75℃/min的速率升温，升温到850℃，保温2小时，炉内压力保持在350Mpa，接着在25 分钟内冷却到70℃。在冷却后再进行第二次烧结，进一步提升致密性，从而提升整体的硬度、抗拉强度。
接着在放电等离子烧结炉中进行第三次烧结，以95℃/min的速率升温，升温到1400℃，保温1小时，炉内压力保持在380Mpa，然后在20分钟内冷却到室温，获得无粘结剂的硬质合金材料成品。
通过超声分散，然后又进行球磨处理，得到了纳米级的混合物，上述过程中，不仅仅实现了原料的均匀混合以及混合物粒度上纳米级的细化，显著地降低反应活化能，促进固态离子扩散，诱发低温化学反应；而且在高能球磨过程中，极大地提高粉末活性从而实现粉体烧结驱动力的提高，使得混合物在后续的烧结过程中更好实现均匀致密化烧结。
实施例三
一种无粘结剂硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳化钨粉末75份、三氧化二钇25份，钴粉末2份，碳化钽3份，碳化钒2份一起置于振动罐中，充入氮气，振动罐中放置有若干个振动球，启动振动罐进行振动处理，形成混合粉末。启动振动罐使振动罐按照设定的频率振动，使碰撞球体与混合粉末持续的碰撞接触，碰撞频率为50HZ，碰撞时间为20分钟。利用振动处理，通过碰撞，使得粉末形成纳米晶体结构，有利于成型后的致密性的提升。
将混合粉末添加入无水乙醇溶液中，使混合粉末完全被浸湿，并且进行超声波分散处理，使混合粉末均匀分散在无水乙醇溶液中。还添加入分散剂，确保粉末能够均匀分散，避免团聚。超声频率：50kHz，超声时间 60min。
将上述分散有混合粉末的乙醇溶液在100℃温度、真空度9Pa下干燥，在氢气气氛中还原得到均匀分散的混合粉体。
将混合粉体放入球磨设备中球磨，取出后再次干燥，以酒精为湿磨介质，球料比为1:2，球磨时间为28h。
在氩气气体保护下进行第一次烧结，先升温至180℃保温1小时，继续升温至280℃保温2小时，压力为300Mpa，接着然后自然冷却到室温，室温为20℃。通过第一次烧结后冷却，可以对粉末的致密性起到提升作用。
然后进行第二次烧结，放于放电等离子烧结炉中，以80℃/min的速率升温，升温到900℃，保温2小时，炉内压力保持在350Mpa，接着在300 分钟内冷却到60℃。在冷却后再进行第二次烧结，进一步提升致密性，从而提升整体的硬度、抗拉强度。
接着在放电等离子烧结炉中进行第三次烧结，以100℃/min的速率升温，升温到1450℃，保温1小时，炉内压力保持在400Mpa，然后在20分钟内冷却到室温，获得无粘结剂的硬质合金材料成品。
通过超声分散，然后又进行球磨处理，得到了纳米级的混合物，上述过程中，不仅仅实现了原料的均匀混合以及混合物粒度上纳米级的细化，显著地降低反应活化能，促进固态离子扩散，诱发低温化学反应；而且在高能球磨过程中，极大地提高粉末活性从而实现粉体烧结驱动力的提高，使得混合物在后续的烧结过程中更好实现均匀致密化烧结。
对比例一
与实施例一相对应，不同在于：只进行一次烧结，直接从室温升温到 1400℃，然后自然冷却。
对比例二
与实施例二相对应，不同在于：混合粉末没有进行振动处理，只进行两次烧结。
对比例三
与实施例三相对应，不同在于：没有进行振动处理。
制备得到的试样性能如下表所示：
由此可见，在本申请中，通过三次的烧结，并且每次烧结都进行一次冷却，这样有利于提高材料的强度和硬度，而且采用相对较快的冷却，使晶型不易发生改变。
需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无粘结剂硬质合金材料，其特征在于，由以下按照重量份数计的组分构成：
碳化钨粉末65-75份、三氧化二钇15-25份，钴粉末1-2份，碳化钽2-3份，碳化钒1-2份。
2.一种无粘结剂硬质合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将碳化钨粉末、三氧化二钇、钴粉末、碳化钽、碳化钒一起置于振动罐中，充入氮气，振动罐中放置有若干个振动球，启动振动罐进行振动处理，形成混合粉末；
将混合粉末添加入无水乙醇溶液中，使混合粉末完全被浸湿，并且进行超声波分散处理，使混合粉末均匀分散在无水乙醇溶液中；
将上述分散有混合粉末的乙醇溶液在60～100℃温度、真空度＜10Pa下干燥，在氢气气氛中还原得到均匀分散的混合粉体；
将混合粉体放入球磨设备中球磨，取出后再次干燥；
在氩气气体保护下进行第一次烧结，先升温至120-180℃保温1小时，继续升温至200-280℃保温1-2小时，压力为200-300Mpa，接着然后自然冷却到室温，室温为20-30℃；
然后进行第二次烧结，放于放电等离子烧结炉中，以70-80℃/min的速率升温，升温到800-900℃，保温2小时，炉内压力保持在300-350Mpa，接着在20-30分钟内冷却到60-80℃；
接着在放电等离子烧结炉中进行第三次烧结，以90-100℃/min的速率升温，升温到1350-1450℃，保温1小时，炉内压力保持在350-400Mp a，然后在15-20分钟内冷却到室温，获得无粘结剂的硬质合金材料成品。
3.根据权利要求2所述的无粘结剂硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述超声波分散处理时，超声频率：50-100kHz，超声时间30-70min。
4.根据权利要求3所述的无粘结剂硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述对分散有混合粉末的乙醇溶液还原时，采用强排水透气式管式炉，还原温度：300-500℃，还原时间：50-90min，氢气流量：20-50ml/(min·cm2)。
5.根据权利要求4所述的无粘结剂硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述球磨时，以酒精为湿磨介质，球料比为1:2-3，球磨时间为20-28h。
6.根据权利要求5所述的无粘结剂硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述混合粉末添加入无水乙醇溶液中时，还添加分散剂。
7.根据权利要求6所述的无粘结剂硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂为六偏磷酸钠。
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