平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金及其制备方法，具体涉及硬质合金领域，以解决现有方法因能耗高、生产工艺复杂、成本昂贵，且添加的还原剂存在易燃、易爆和高毒性而难以在实际生产中获得应用的缺陷，按质量百分比，包括如下组分：78～95％WC粉，3～15％Co粉，0～15％Ni粉，0～1.5％W4Co2C粉，0～1.5％NbC粉，0～1.5％TaC粉，0～1.5％TiC粉，0～1.5％VC粉，0～1.5％Cr2C3粉。制得平均晶粒度大于8微米高强韧性特粗晶WC硬质合金，并具有典型的特粗晶粒度分布形态，晶粒分布整体均匀，致密度高，综合性能优异。综合性能优异。综合性能优异。

【技术实现步骤摘要】
平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金及其制备方法


[0001]平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金及其制备方法，本专利技术属于粉末冶金
，具体涉及硬质合金制备


技术介绍

[0002]WC硬质合金以具有高硬度、高耐磨性、高熔点的WC相为基体，具有良好润湿性和高韧性的Co、Ni金属为粘结相而制成的一种合金材料，其因高的硬度、耐磨性和横向断裂强度，在切削工具、模具、矿山工具及耐磨零部件等领域获得广泛应用。当前，国际上按照WC合金的平均晶粒度分为纳米、超细、细、中、粗、超粗、特粗晶硬质合金，表1为硬质合金晶粒度分类标准，其中A类标准为Sandvik硬质合金分类方法；B类标准为英国硬质合金协会与德国标准协会的分类方法。根据Sandvik硬质合金分类标准，其特粗晶硬质合金是指WC平均截线晶粒度(Dwc)在8微米以上的硬质合金。
[0003]表1硬质合金晶粒度分类标准，μm
[0004][0005]特粗晶粒硬质合金的WC晶粒度比细晶硬质合金大、比表面积更小，钴层分布的更厚，因此特粗晶粒硬质合金的冲击韧性更好。特粗晶粒合金具有比普通晶粒大小的合金更优异的热冲击强度、更好的导热性，更高的疲劳强度和断裂韧性；因此为了满足凿岩硬质合金良好的力学性能和高温耐磨性能，制备凿岩硬质合金时一般采用较低的含钴量以及较大的WC晶粒度。采矿和建筑用工具除了需要承受极高冲击力、剧烈的磨损和严重的疲劳外还处于非常恶劣环境，其工作条件更达到1000℃的高温。因此采矿、建筑用工具工作效率主要受磨损和失效的影响，磨损和失效主要是因为热、疲劳裂纹的产生和生长，合金近表面层会因为裂纹的快速生长而破裂成碎片。裂纹产生后可能会加速裂纹的大量萌生，使合金因为裂纹数目太多而断裂而不能满足其工作要求，从而造成合金使用寿命的大幅度减小。特粗晶粒硬质合金轧辊能快速传递热量，通过大量实验可以发现在相同情况下，其传递热量的速度是工具钢轧辊的数倍，同时也是因为其传递热量的能力太强，所以与周围材料发生反应的时间会极大的缩短，其抵抗酸、碱、盐溶液的腐蚀作用能力较工具钢轧辊强出许多。特
粗晶粒硬质合金应其能有效地抵抗住冲击载荷的作用，传递热量的效率高、耐磨性良好等特点，被认为是理想的用于生产和矿用工具的材料，因此被大规模地应用于采矿和建筑领域、制作冲压模具和凿岩等领域。
[0006]随着现代科学技术的发展，市场对硬质合金的品种、质量以及成本方面的要求也越来越高，因此兼具高硬度、高韧性“双高”性能的特粗晶硬质合金一直是广大科研工作者的研究热点。国内外企业及科研人员制备超粗晶硬质合金，如化学包裹粉溶胶凝胶法，美国专利USA5505902和USA5529804分别介绍了两种方法制备晶粒度13μm
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14μm的合金。专利USA5505902采用甲醇、三乙胺以及WC放入反应器中混合加热，通过蒸发排出甲醇使Co相沉淀在WC晶粒上，形成溶胶凝胶，再经干燥、压制以及烧结等工序得到特粗晶硬质合金，该专利制备工艺复杂，需要制备专有设备，并且废气物处理难度大，对生产环境要求严格。专利USA5529804则采用WC、水及Co的醋酸盐混合，将Co相直接涂覆于WC颗粒上，再将混合料喷雾干燥、压制、烧结后获得特粗晶硬质合金，但该废气、废物处理对环境不友好或受限。日本学者OKAMOTO S曾报道过WC晶粒度分别为20μm和30μm的硬质合金的应力
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应变行为，并指出超粗晶硬质合金具有一定的塑性，但未报道其相关制备方法(Materials Characterization，2005)。国内专利CN102560216B将机械活化处理后的WC与Co/Ni的氢氧化物碱性浆料混合，再经水热高压氢还原法制得纳米组装结构Co/Ni包覆WC型复合粉，由于纳米扩散烧结效应能在氢气气氛中对复合粉进行热扩散均匀化处理，故可制备出致密的复合粉，采用此粉末能制得晶粒度为11.8μm的超粗晶硬质合金，该制备工艺要求高，机械活化量产难度大，并且包覆完整性工艺过程难以控制。孙业熙等人采用费氏粒度为4.1μm的WC粉末和CoCl2
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6H2O、(NH4)2C2O4
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H2O为原料，将钴粉制备过程与粉末混合过程相结合，利用化学共沉淀包裹反应，一步还原制备WC
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Co包裹粉，并以此粉制得WC平均晶粒尺寸为8.9μm且组织结构均匀的超粗晶硬质合金，但相关设备要求高，化学反应过程难控制很难用于大规模工艺生产。又如专利CN102634684采用费氏粒度为20.1μm的WC粉和Co粉放入混合器中进行混合处理，混合0.5h后再放入球磨机，再将混合料压制、烧结后制备出平均晶粒度达到7μm级别的超粗晶硬质合金。专利CN101974716A采用分级W粉制成的费氏粒度达到18μm的WC粉为原料进行轻度球磨，其中球料比为1：1，液固比为160ml/kg，球磨时间为12～14h，得到的混合料再采用常规压制、烧结方法制得了平均晶粒度为7.8μm的超粗晶硬质合金。专利CN102912206将部分粗晶WC粉末进行球磨获取活性高的细晶WC粉，然后在球磨机中加入其余粗晶WC粉末和Co粉制备超粗晶硬质合金，但其所获得的晶粒度仅为4.0～8.0μm，三种制备方法均未达到特粗晶合金的范围要求。
[0007]目前，当WC的晶粒尺寸达到5m以上时，硬质合金在保持较好强度的同时，可明显改变其塑性，产品可靠性大大提高，而目前我国难以制备晶粒尺寸达到5μm以上、微观结构好、综合性能高的特粗硬质合金。传统硬质合金生产中的混料过程均使用湿磨工艺，即将WC与粘结相金属粉末，以乙醇或汽油等为湿磨介质，按一定球料比在球磨机中球磨20h以上，以使混合相组元分布均匀。但湿磨工艺应用于制备超粗硬质合金具有明显的弊端，如湿磨过程中，粗颗粒的WC二次颗粒与一次颗粒易破碎，因此制备超粗硬质合金所需的原料WC粉末粒度需达十几甚至几十微米以上，而大粒径的WC粉末制备过程中碳化温度高，造成极大的能源耗费；球磨导致粉末颗粒破碎，晶格畸变且粉末粒度难以控制；同时，湿磨所需球磨时间长，乙醇、汽油等湿磨介质消耗量大，提高了生产成本。为寻求制备粗晶粒硬质合金的新
途径，国内外研究人员对WC
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Co复合粉的制备工艺进行了一些新探索，主要方法有：溶胶
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凝胶法，化学镀法和水热氢还原法，但这些方法因能耗高、生产工艺复杂、成本昂贵，且添加的还原剂存在易燃、易爆和高毒性而难以在实际生产中获得应用。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于：提供平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金及其制备方法，以解决现有的WC
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Co复合粉制备方法因能耗高、生产工艺复杂、成本昂贵，且添加的还原剂存在易燃、易爆和高毒性而难以在实际生产中获得应用的缺陷。
[0009]本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金，按质量百分比，包括如下组分：78～95％WC粉，3～15％Co粉，0～15％Ni粉，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金，其特征在于：按质量百分比，包括如下组分：78～95％WC粉，3～15％Co粉，0～15％Ni粉，0～1.5％W4Co2C粉，0～1.5％NbC粉，0～1.5％TaC粉，0～1.5％TiC粉，0～1.5％VC粉，0～1.5％Cr2C3粉；WC粉末的费氏粒度FUSS特征包含两类，第一类用于性能活化的粉末其费氏粒度FUSS在1微米及以下，即为细WC粉，且配料总量小于或等于10％，第二类用于特粗化硬质相粉末的费氏粒度FUSS均值在25微米及以上，且配料总量范围为68～85％；W4Co2C粉末费氏粒度FUSS在1微米及以下；Co，Ni粉末及其余添加粉末NbC，TaC，TiC，VC，Cr2C3粉末粒度特征为费氏粒度FUSS为0.1～3.0微米。2.根据权利要求1所述的平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金，其特征在于：按质量百分比，包括如下组分：80～92％WC粉，3～12％Co粉，0～10％Ni粉，0.3～1.2％W4Co2C粉，0.25～1.2％NbC粉，0.25～1.2％TaC粉，0.15～1.0％TiC，0.25～1.2％VC粉，0.25～1.2％Cr2C3粉；WC粉末的费氏粒度FUSS特征包含两类，第一类用于性能活化的粉末其费氏粒度FUSS在1微米及以下，即为细WC粉，且配料总量小于或等于10％，第二类用于特粗化硬质相粉末的费氏粒度FUSS均值在25微米及以上，且配料总量范围为68～85％；W4Co2C粉末费氏粒度FUSS在1微米及以下；Co，Ni粉末及其余添加粉末NbC，TaC，TiC，VC，Cr2C3粉末粒度特征为费氏粒度FUSS为0.1～3.0微米。3.根据权利要求1或2所述的平均晶粒度大于8微米的高强韧性特粗晶WC硬质合金，其特征在于：按质量百分比，包括如下组分：85％WC粉，11％Co粉，1％Ni粉，0.5％W4Co2C粉，0.75％NbC粉，0.4％TaC粉，0.2％TiC，0.75％VC粉，0.4％Cr2C3粉；WC粉末的费氏粒度FUSS特征包含两类，第一类用于性能活化的粉末其费氏粒度FUSS在1微米及以下，即为细WC粉，且配料总量为8％，第二类用于特粗化硬质相粉末的费氏粒度FUSS均值为35.0μm，且配料总量范围为77％；W4Co2C粉末费氏粒度FUSS为0.7μm；NbC、TaC、VC、Cr2C3粉末费氏粒度FUSS为1.2μm，TiC粉末费氏粒度FUSS为1.5μm，Co，Ni粉末粒度特征为费氏粒度FUSS为1.8微米。4.如权利要求1
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3任一项所述的平均...

【专利技术属性】
技术研发人员：董定乾，张文科，向新，顾金宝，时凯华，廖军，
申请(专利权)人：自贡硬质合金有限责任公司，
类型：发明
国别省市：