一种非均匀梯度硬质合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种非均匀梯度硬质合金及其制备方法，非均匀梯度硬质合金是以Co作为粘结相，以碳化钨和含钛立方相化合物作为硬质相，粘结相的质量分数为4.5wt.％～9.5wt.％，硬质相的质量分数为90.5wt.％～95.5wt.％，含钛立方相化合物占非均匀梯度硬质合金的质量分数为2wt.％～8wt.％；碳化钨的晶粒分布具有双峰结构，碳化钨包括粗晶碳化钨和细晶碳化钨，粗晶WC的平均晶粒度为1.5‑3.0μm，细晶WC的平均晶粒度为0.4‑1.0μm；含钛立方相化合物的平均晶粒度介于所述细晶WC平均晶粒度和所述粗晶WC平均晶粒度的一半之间。本发明专利技术的非均匀梯度硬质合金具有更高硬度、韧性和抗弯强度，能满足铸铁、合金钢、不锈钢等金属材料的加工，制备方法工艺简单、成本低的优点。

A non-uniform gradient cemented carbide and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种非均匀梯度硬质合金及其制备方法
本专利技术属于粉末冶金领域，涉及一种非均匀梯度硬质合金及其制备方法，尤其涉及一种具有非均匀WC粒度分布的表层缺立方相梯度结构的硬质合金及其制备方法。
技术介绍
表层缺立方相(也称脱B层)梯度结构硬质合金是指在原料粉末中添加一定量的立方相，如TiC、TiN或固溶体碳化物(Ti，W)C、(Ta，Nb)C或固溶体碳氮化物(Ti，W)(C，N)、(Ti，Ta，Nb)(C，N)、TiCN等，将原料粉末球磨混合、压制成整体含有立方相的压坯，在烧结阶段通过改变炉内气氛使得在基体表面形成一定厚度的缺立方相的梯度层，在缺立方相中不含硬脆的立方相且Co含量高于基体平均含量，因而具有较高的韧性。在部分专利文献中(例如US4277283和US4610931号美国专利文献，以及CN1079179A等中国专利文献)已经公开了表层缺立方相结构的硬质合金基体及其制备方法。以表层缺立方相的梯度结构硬质合金作为刀具基体，表面富钴层因具有较高韧性，可以吸收在化学气相沉积涂层(CVD)时由于涂层和基体之间热膨胀系数的不同而在冷却过程中产生的热应力，减缓由此引起的微裂纹向基体中的扩展，从而提高材料性能和延长切削刀具使用寿命。然而，在其后的应用实践中，我们发现表层缺立方相结构的存在降低了刀片材料的屈服强度和硬度，导致刀片刃口容易产生塑性变形，后刀面抗磨损能力下降。非均匀结构的硬质合金是一种具有粗细两种不同WC晶粒的硬质合金，由于硬质合金做成粗细两种晶粒，其中的细晶粒填充孔隙便可降低堆积孔隙率，从而降低合金烧结致密的难度，降低合金的WC晶粒度、邻接度，提高合金的韧性，使得硬质合金同时兼备韧性和强度的要求。但是，单纯的WC-Co非均匀结构的硬质合金在高速切削条件下存在耐磨性不足的缺点，而目前已知技术生产的梯度硬质合金在强度和韧性上仍有提升的空间。因此，提供一种非均匀梯度硬质合金是很有必要的，这样就可以满足制造金属切削刀具的硬质合金具有很高的高温硬度和耐磨性，具有必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，以及良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等)，且不易变形。但是非均匀梯度硬质合金并不是非均匀合金与梯度硬质合金两种现有技术进行简单组合就能实现的，一方面，现有非均匀梯度硬质合金主要用于矿山工具、铣削刀具等领域，在对耐磨性和抗高温塑性变形能力要求很高的金属车削领域，该结构明显存在耐磨性不足的缺点，另一方面，若要在具有较高立方相化合物的梯度硬质合金中实现WC晶粒的双峰粒度分布，从实现的技术上也有难度，因为细WC粉在烧结过程中优先溶解并析出，尤其在添加高立方相化合物后WC会向其中溶解，因此细WC的溶解度会进一步增加，从而难以控制细WC粒度和比例。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有更高硬度、韧性和抗弯强度，能满足铸铁、合金钢、不锈钢等金属材料的加工的非均匀梯度硬质合金，还提供一种工艺简单、成本低的非均匀梯度硬质合金的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种非均匀梯度硬质合金，所述非均匀梯度硬质合金是以Co作为粘结相，以碳化钨和含钛立方相化合物作为硬质相，所述粘结相的质量分数为4.5wt.％～9.5wt.％，所述硬质相的质量分数为90.5wt.％～95.5wt.％，所述含钛立方相化合物占非均匀梯度硬质合金的质量分数为2wt.％～8wt.％；所述碳化钨的晶粒分布具有双峰结构，所述碳化钨包括粗晶碳化钨和细晶碳化钨，所述粗晶WC的平均晶粒度为1.5-3.0μm，所述细晶WC的平均晶粒度为0.4-1.0μm；所述非均匀梯度硬质合金具有平均粘结相含量为标称粘结相含量1～2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构，所述表层结构的厚度为5μm～50μm，所述表层结构中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.85-0.95；所述非均匀梯度硬质合金中远离表层梯度结构的芯部组织中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.80-0.85。上述的非均匀梯度硬质合金中，优选的，所述碳化钨的晶粒分布的双峰结构中，一个峰介于0.4μm～1.0μm之间，另一个峰介于1.5μm～3.0μm之间。上述的非均匀梯度硬质合金中，优选的，所述细碳化钨粉与粗碳化钨粉的质量比为0.3～1.0∶1。上述的非均匀梯度硬质合金中，优选的，所述含钛立方相化合物包括钛元素和其它过渡金属元素中一种或多种的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物。上述的非均匀梯度硬质合金中，优选的，所述其它过渡金属元素为Ta和/或Nb。上述的非均匀梯度硬质合金中，所述含钛立方相化合物的平均晶粒度介于所述细晶WC平均晶粒度和所述粗晶WC平均晶粒度的一半之间。上述的非均匀梯度硬质合金中，具有平均粘结相含量为标称粘结相含量1～2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构，优选的，所述表层结构的厚度为10μm～30μm。上述的非均匀梯度硬质合金中，优选的，所述表层结构中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.85-0.95；上述的非均匀梯度硬质合金中，优选的，所述非均匀梯度硬质合金中远离表层梯度结构的芯部组织中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.80-0.85。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种非均匀梯度硬质合金的制备方法，包括以下步骤：(1)配料：选用粘结相金属粉、含钛立方相化合物和碳化钨粉作为原料，各原料的质量百分比为：粘结相金属粉4.5wt.％～9.5wt.％，含钛立方相化合物2wt.％～8wt.％，和碳化钨粉余量，各原料质量百分比总和为100％，其中，粘结相金属粉为Co金属粉；碳化钨粉包括粗碳化钨粉和细碳化钨粉，粗碳化钨粉的平均粒度为3μm～10μm，细碳化钨粉的平均粒度为0.5μm～2.0μm，细碳化钨粉与粗碳化钨粉的质量比为0.1～1.0∶1；(2)混合制粉：先将细碳化钨粉、粘结相金属粉以及含钛立方相化合物进行混合并预球磨，然后加入粗碳化钨粉和成型剂进行球磨，球磨后干燥，得到混合料粉末；(3)压制成型：将所述混合料粉末压制成型，得到压坯；(4)烧结：(4.1)脱成型剂：将步骤(3)所得压坯置于氢气氛条件下，升温至成型剂脱除温度，以脱除成型剂；(4.2)第一烧结保温阶段：脱成型剂后，继续升温烧结，待烧结温度升至1320℃～1370℃时，通入20mbar～60mbar的Ar保护气体，在Ar气氛下保温烧结0.5h～1h；(4.3)第二烧结保温阶段：第一烧结保温阶段结束后，继续在真空环境下升温烧结，待烧结温度升至1400℃～1450℃时，通入30mbar～120mbar的Ar保护气体，在Ar气氛下保温0.5h～1.5h；(4.4)第三烧结保温阶段：第二烧结保温阶段结束后，通入5-100mbar的CO继续维持原烧结温度保温5-20min；(4.5)第四烧结保温阶段：第三烧结保温阶段结束后，通入5-100bar的Ar气继续维持原烧结温度保温5-20min；(4.6)冷却阶段：第四烧结保温阶段结束后，保持Ar和CO气氛下冷却至室温，最终得到非均匀梯度硬质合金。上述的非均匀梯度硬质合金的制备方法中，优选的，所述步骤(4.2)中，待烧结温度升至1350℃时，通入40mbar～60mbar的Ar保护气体，在Ar气氛下保温烧结0.5h～1h；所述步骤(4.3)中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非均匀梯度硬质合金，所述非均匀梯度硬质合金是以Co作为粘结相，以碳化钨和含钛立方相化合物作为硬质相，所述粘结相的质量分数为4.5wt.％～9.5wt.％，所述硬质相的质量分数为90.5wt.％～95.5wt.％，其特征在于，所述含钛立方相化合物占非均匀梯度硬质合金的质量分数为2wt.％～8wt.％；所述碳化钨的晶粒分布具有双峰结构，所述碳化钨包括粗晶碳化钨和细晶碳化钨，所述粗晶WC的平均晶粒度为1.5‑3.0μm，所述细晶WC的平均晶粒度为0.4‑1.0μm；所述含钛立方相化合物的平均晶粒度介于所述细晶WC平均晶粒度和所述粗晶WC平均晶粒度的一半之间；所述非均匀梯度硬质合金具有平均粘结相含量为标称粘结相含量1～2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构，所述表层结构的厚度为5μm～50μm，所述表层结构中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.85‑0.95；所述非均匀梯度硬质合金中远离表层梯度结构的芯部组织中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.80‑0.85。

【技术特征摘要】
1.一种非均匀梯度硬质合金，所述非均匀梯度硬质合金是以Co作为粘结相，以碳化钨和含钛立方相化合物作为硬质相，所述粘结相的质量分数为4.5wt.％～9.5wt.％，所述硬质相的质量分数为90.5wt.％～95.5wt.％，其特征在于，所述含钛立方相化合物占非均匀梯度硬质合金的质量分数为2wt.％～8wt.％；所述碳化钨的晶粒分布具有双峰结构，所述碳化钨包括粗晶碳化钨和细晶碳化钨，所述粗晶WC的平均晶粒度为1.5-3.0μm，所述细晶WC的平均晶粒度为0.4-1.0μm；所述含钛立方相化合物的平均晶粒度介于所述细晶WC平均晶粒度和所述粗晶WC平均晶粒度的一半之间；所述非均匀梯度硬质合金具有平均粘结相含量为标称粘结相含量1～2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构，所述表层结构的厚度为5μm～50μm，所述表层结构中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.85-0.95；所述非均匀梯度硬质合金中远离表层梯度结构的芯部组织中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.80-0.85。2.根据权利要求1所述的非均匀梯度硬质合金，其特征在于，所述碳化钨的晶粒分布的双峰结构中，一个峰介于0.4μm～1.0μm之间，另一个峰介于1.5μm～3.0μm之间。3.根据权利要求1所述的非均匀梯度硬质合金，其特征在于，所述细碳化钨粉与粗碳化钨粉的质量比为0.3～1.0∶1。4.根据权利要求1所述的非均匀梯度硬质合金，其特征在于，所述非均匀梯度硬质合金具有平均粘结相含量为标称粘结相含量1～2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构，所述表层结构的厚度为5μm～50μm，所述表层结构中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.85-0.95，所述非均匀梯度硬质合金中远离表层梯度结构的芯部组织中粘结相所溶解的C原子与W原子的比值介于0.80-0.85。5.根据权利要求1～4中任一项所述的非均匀梯度硬质合金，其特征在于，所述含钛立方相化合物包括钛元素和其它过渡金属元素中一种或多种的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物。6.根据权利要求1所述的非均匀梯度硬质合金，其特征在于，所述含钛立方相化合物的平均晶粒度介于所述细晶WC平均晶粒度和所述粗晶WC平均晶粒度的一半之间。7.根据权利要求5所述的非均匀梯度硬质合金，其特征在于，所述其它过渡金属元素为W、Ta和/或Nb；所述含钛立方相化合物由(Ti，W)C、(Ta，Nb)C和TiCN组成，所述(Ti，W)C中W的质量分数为45wt.％～65wt.％，所述(Ta，Nb)C中Ta/Nb质量比为1.0～4.0∶1，所述TiCN中C/N原子比为0.5～2.0∶1。8.一种非均匀梯度硬质合金的制备方法，包括以下步骤：(1)配料：选用粘结相金属粉、含钛立方相化合物和碳化钨粉作为原料，各原料的质量百分比为：粘结相金属粉4.5wt.％～9.5wt.％，含钛立方相化合...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢文，周定良，吴春，周文豪，陈指福，
申请(专利权)人：台州市锐安硬质合金工具有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33