專利名稱：含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含板狀碳化鎢(wc)晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，屬碳化鎢硬質(zhì)合金制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景硬質(zhì)合金具有高彈性模量、高硬度，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高溫抗氧化性和耐蝕性， 在機(jī)加工、采礦等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的硬度(即耐磨性)與韌性(即 抗斷裂性能)往往是一對矛盾。如果增加了耐磨性，則會(huì)降低抗斷裂性能，相反若增加了抗斷裂性能，則耐磨性又會(huì)下降。通常，人們通過改變WC的粒度、Co含量和其它碳化物的添加量來改變硬質(zhì)合金的耐磨性和抗斷裂性能，從而滿足硬質(zhì)合金在某 些場合的使用。近年的研究表明，含板狀碳化鉤晶粒的硬質(zhì)合金可以解決這一矛盾， 并且它具有高韌性、高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高的抗塑性變形能力、高的高溫硬 度、高的高溫疲勞強(qiáng)度、較好的抗高溫蠕變與抗熱沖擊性能等獨(dú)特性能。含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金之所以具有高的硬度與wc晶粒的各向異性有關(guān)。wc在微觀結(jié)構(gòu)上屬六方晶系，具有各向異性，特別是硬度的各向異性很強(qiáng)，導(dǎo)致其 不同取向和晶面的物理機(jī)械性能差別很大。如圖l所示，其底面的(0001)面和棱面(liOO)面的維氏硬度分別為HV二2100和HV二1080，前者比后者高了一倍多。由圖1 (a)可以看出，普通硬質(zhì)合金中的WC晶粒呈三棱柱狀，如果能使這種三棱柱 狀WC晶粒的(0001)底面擇優(yōu)生長為三角板狀，則因具有高硬度的(0001)面WC 晶粒所占的比率提高，硬質(zhì)合金的硬度也就相應(yīng)的得到了提高。特別是，如能使WC (0001)面晶粒定向排布，轉(zhuǎn)化為具有如圖l(b)所示的含板狀WC晶粒定向特征的硬 質(zhì)合金，則這種硬質(zhì)合金在垂直于(0001)面將具有異常高的硬度。此外，這種硬質(zhì) 合金還具有高的韌性。這是因?yàn)楫?dāng)微裂紋繞過或穿過板狀WC晶粒時(shí)都需要消耗很大 的斷裂能，從而阻礙了微細(xì)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，提高了斷裂韌性。因此，制備含板狀 WC晶粒的硬質(zhì)合金可以同時(shí)提高硬度和韌性。目前制備含板狀WC晶粒的硬質(zhì)合金的方法有(1)通過高能球磨的方法獲得超細(xì)wc粉，通過在燒結(jié)過程中使wc晶粒產(chǎn)生異常長大成為板狀，結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝使WC定向。(2)使用(W/Ti/Ta)C固溶體為原料，并使其中所含的WC處于過飽和狀態(tài)， 在加熱燒結(jié)時(shí)WC將從過飽和固溶體中析出，結(jié)晶為板狀WC。 (3)在硬質(zhì)合金粉中 添加適量的某些物質(zhì)，如TiC，可以使WC的晶粒形狀向板狀發(fā)展。(4)通過球磨使 球狀的W變成板狀，然后在單軸向壓力作用下使板狀的W定向，隨后在燒結(jié)階段由于 W、 C、 Co反應(yīng)形成定向的板狀WC晶粒。(5)與第四種方法類似，原始粉料換用 CoxWyCz+C來制備。上述方法中前四種方法存在著板狀WC的數(shù)量和尺寸難以控制， 板狀晶粒比例少等缺點(diǎn)，使得硬質(zhì)合金的各項(xiàng)性能，尤其是硬度、耐磨性、強(qiáng)度、韌 性和抗斷裂性能不能得到有效提高。而第(5)方法由于采用的原始粉體不是WC，可 能因碳含量的少量波動(dòng)損害硬質(zhì)合金的性能。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種含板狀碳化鎢(WC)晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，本 發(fā)明的特點(diǎn)是通過加入板狀WC晶種晶粒，使硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中由于細(xì)小WC 晶粒的溶解及隨后在板狀WC晶種表面析出，來制備含板狀WC晶粒的硬質(zhì)合金。本發(fā)明一種含板狀碳化鴇晶粒的硬質(zhì)合金的制備過程中，所采用的作為晶種的 板狀碳化鎢單晶顆粒的制備方法，本發(fā)明人已就該方法申請并獲得了中國專利，該專 利文件的專利號(hào)為ZL 200310108888.2，發(fā)明名稱為"制備板狀碳化鎢單晶顆粒的方 法"。本發(fā)明一種含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于具有以下的 工藝過程和步驟A. 首先制備作為晶種的板狀碳化鎢單晶顆粒采用純度為99.5。/。的W03和光 譜純的C作為原料，兩者以摩爾比l:4進(jìn)行配料，g卩W03:Ol:4;將其混合后，按鹽 料比1:1 2:1加入NaCl或KCl鹽，并以無水乙醇為分散介質(zhì)，再進(jìn)行混合；然后烘 干、過篩；將上述混合均勻的原料裝入坩堝中，在氬氣氣氛中于800 130(TC溫度下焙燒，并在該溫度下保溫1 4小時(shí)；焙燒后的產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫；然后用蒸餾水多 次漂洗合成產(chǎn)物，去除殘留的熔鹽顆粒，烘干后即得板狀碳化鎢單晶顆粒；B. 取一定量的商業(yè)用WC粉、商業(yè)用Co粉和上述制得的板狀WC單晶顆粒作 為原料，三者的重量百分配比如下WC粉80~90%， Co粉5~15%， WC晶種晶粒 3-8%;先將商業(yè)用WC粉和Co粉經(jīng)高能球磨使其粒度變細(xì)，即將WC粉和Co粉裝 入球磨罐中，球磨介質(zhì)為WC硬質(zhì)合金球，球料比為2(hl，球磨轉(zhuǎn)速為150rpm，球 磨時(shí)間為20小時(shí)；然后再加入板狀WC晶種晶粒， 一起共同充分混合；C. 然后經(jīng)摻膠、干燥、過篩后，在130MPa下壓制成坯，隨后再對壓坯進(jìn)行冷 等靜壓處理，使壓坯密度進(jìn)一步提高；然后在1300 1500'C溫度下進(jìn)行真空燒結(jié)，燒 結(jié)時(shí)間為40 100分鐘；最終制得含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金。本發(fā)明還有一種方法，即采用熱壓燒結(jié)的方法來制備具有定向排列板狀碳化鎢 晶粒的硬質(zhì)合金。本發(fā)明另一種含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于具有以下 的工藝過程和步驟A. 首先制備作為晶種的板狀碳化鎢單晶顆粒采用純度為99.5%的 03和光 譜純的C作為原料，兩者以摩爾比l:4進(jìn)行配料，即W03:C-1:4;將其混合后，按鹽 料比1:1 2:1加入NaCl或KCl鹽，并以無水乙醇為分散介質(zhì)，再進(jìn)行混合；然后烘 干、過篩；將上述混合均勻的原料裝入坩堝中，在氬氣氣氛中于800 130(TC溫度下焙燒，并在該溫度下保溫1 4小時(shí)；焙燒后的產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫；然后用蒸餾水漂 洗合成產(chǎn)物，去除殘留的熔鹽顆粒，烘干后即得板狀碳化鎢單晶顆粒；B. 取一定量的商業(yè)用WC粉、商業(yè)用Co粉和上述制得的板狀WC單晶顆粒作 為原料，三者的重量百分配比如下WC粉80~90%， Co粉5~15%， WC晶種晶粒 3~8%;先將商業(yè)用WC粉和Co粉經(jīng)高能球磨使其粒度變細(xì)，即將WC粉和Co粉裝 入球磨罐中，球磨介質(zhì)為WC硬質(zhì)合金球，球料比為20:1，球磨轉(zhuǎn)速為150rpm，球 磨時(shí)間為20小時(shí)；然后再加入板狀WC晶種晶粒， 一起共同充分混合；C. 然后采用熱壓燒結(jié)方法，即將上述混合粉末松散置于石墨模具中，在氮?dú)鈿?氛中直接加熱燒結(jié)到1300~1500°C，并在此溫度下保溫5~10分鐘，隨后施加壓力 20 40MPa，再保溫30 卯分鐘，最后將燒結(jié)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，最終制得含定向 排列板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金。本發(fā)明方法的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)如下(1) 本發(fā)明方法通過調(diào)整加入的板狀WC晶種的尺寸和數(shù)量，可以控制硬 質(zhì)合金中板狀WC晶粒的數(shù)量、尺寸和長厚比，從而優(yōu)化硬質(zhì)合金的 性能；(2) 由于采用的晶種為WC，不會(huì)因碳含量的少量波動(dòng)損害硬質(zhì)合金的性 能；(3) 本發(fā)明方法工藝簡單，投入成本低，重現(xiàn)性好。


圖1為本發(fā)明中板狀WC晶粒晶面特性及定向排布的結(jié)構(gòu)示意圖。其中(a)為
板狀WC示意圖，(b)為板狀WC定向的硬質(zhì)合金示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的實(shí)施例敘述于后。 實(shí)施例1本實(shí)施例的工藝過程和步驟如下(1) 首先制備作為晶種的板狀碳化鎢單晶顆粒采用純度為99.5%的W03和光譜純的C作為原料，兩者以摩爾比1:4進(jìn)行配料，即W03:C4:4;將其混合后，按 鹽料比1.5:1加入NaCl鹽，并以無水乙醇為分散介質(zhì)，再進(jìn)行混合；然后烘千、過 篩；將上述混合均勻的原料裝入坩堝中，在氬氣氣氛中于120(TC溫度下焙燒，并在該溫度下保溫3小時(shí)；焙燒后的產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫；然后用蒸餾水漂洗合成產(chǎn)物三次，去除殘留的熔鹽顆粒，烘干后即得板狀碳化鎢單晶顆粒(具體更詳細(xì)的工藝方法請參見中國專利文件ZL 200310108888.2，發(fā)明名稱為"制備板狀碳化鎢單晶顆粒的 方法")；(2) 取一定量的商業(yè)用WC粉、商業(yè)用Co粉和上述制得的板狀WC單晶顆 粒作為原料；按規(guī)定重量配比稱量配料，稱取WC粉17g， Co粉2g和WC晶種晶粒 lg;板狀WC晶種晶粒尺寸為l~3ym、長厚比為1:1 5:1;將上述WC粉和Co粉裝 入球磨罐中，球磨介質(zhì)為WC硬質(zhì)合金球，球料比為20:1，球磨轉(zhuǎn)速為150rpm，球 磨時(shí)間為20小時(shí)；然后加入上述的板狀WC晶種晶粒， 一起共同充分混合；(3) 然后進(jìn)行摻膠，即加入1%的橡膠汽油溶液或石蠟汽油溶液，在11(TC下 真空干燥l小時(shí)，再經(jīng)IOO目的篩網(wǎng)過篩后，在130MPa下壓制成坯；隨后再對壓坯 進(jìn)行冷等靜壓處理，使壓坯密度進(jìn)一步提高；然后在140(TC溫度下進(jìn)行真空燒結(jié)， 燒結(jié)時(shí)間60分鐘；最終制得含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金。上述方法制得的硬質(zhì)合金中，板狀WC無定向排布特征，晶粒數(shù)量較多，晶粒 尺寸較大， 一般在2 6um;長厚比也較大， 一般為2:卜3:1;合金的硬度和韌性均有 所提高。 實(shí)施例2本實(shí)施例的工藝過程和步驟如下(1) 首先制備作為晶種的板狀碳化鎢單晶顆粒，其制備方法與上述實(shí)施例1 中的第一步驟完全相同；(2) 取一定量的商業(yè)用WC粉、商業(yè)用Co粉和上述制得的板狀WC單晶顆禾立
作為原料；按規(guī)定重量配比稱量配料，稱取WC粉17g， Co粉2g和WC晶種晶粒 lg;板狀WC晶種晶粒尺寸為l~3nm、長厚比為1:1 5:1;將上述WC粉和Co粉裝 入球磨罐中，球磨介質(zhì)為WC硬質(zhì)合金球，球料比為20:1，球磨轉(zhuǎn)速為150rpm,球 磨時(shí)間為20小時(shí)；然后加入上述的板狀WC晶種晶粒， 一起共同充分混合；(3)然后采用熱壓燒結(jié)方法，即將上述混合粉末松散置于石墨模具中，在氮?dú)?氣氛中直接加熱燒結(jié)到1400°C，并在此溫度下保溫10分鐘，隨后施加壓力30MPa， 再保溫60分鐘，最后將燒結(jié)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，最終制得含定向排列板狀碳化鎢 晶粒的硬質(zhì)合金。上述方法制得的硬質(zhì)合金中，板狀WC晶粒呈定向排布特征；晶粒數(shù)量較多，晶 粒尺寸大小一般在3 6um;長厚比也較大， 一般為2:1 3:1;該合金的物理機(jī)械性能 出現(xiàn)各向異性，在垂直于壓力方向的硬度很高。
權(quán)利要求
1.一種含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟A.首先制備作為晶種的板狀碳化鎢單晶顆粒采用純度為99.5％的WO3和光譜純的C作為原料，兩者以摩爾比1∶4進(jìn)行配料，即WO3∶C＝1∶4；將其混合后，按鹽料比1∶1～2∶1加入NaCl或KCl鹽，并以無水乙醇為分散介質(zhì)，再進(jìn)行混合；然后烘干、過篩；將上述混合均勻的原料裝入坩堝中，在氬氣氣氛中于800～1300℃溫度下焙燒，并在該溫度下保溫1～4小時(shí)；焙燒后的產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫；然后用蒸餾水多次漂洗合成產(chǎn)物，去除殘留的熔鹽顆粒，烘干后即得板狀碳化鎢單晶顆粒。B.取一定量的商業(yè)用WC粉、商業(yè)用Co粉和上述制得的板狀WC單晶顆粒作為原料，三者的重量百分配比如下WC粉80～90％，Co粉5～15％，WC晶種晶粒3～8％；先將商業(yè)用WC粉和Co粉經(jīng)高能球磨使其粒度變細(xì)，即將WC粉和Co粉裝入球磨罐中，球磨介質(zhì)為WC硬質(zhì)合金球，球料比為20∶1，球磨轉(zhuǎn)速為150rpm，球磨時(shí)間為20小時(shí)；然后再加入板狀WC晶種晶粒，一起共同充分混合。C.然后經(jīng)摻膠、干燥、過篩后，在130MPa下壓制成坯；隨后再對壓坯進(jìn)行冷等靜壓處理，使壓坯密度進(jìn)一步提高；然后在1300～1500℃溫度下進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為40～100分鐘；最終制得含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金。
2. —種含板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于具有以下的工藝 過程和步驟A. 首先制備作為晶種的板狀碳化鎢單晶顆粒采用純度為99.5。/。的W03和光 譜純的C作為原料，兩者以摩爾比1:4進(jìn)行配料，即W03:C4:4;將其混合后，按鹽 料比1:1 2:1加入NaCl或KCl鹽，并以無水乙醇為分散介質(zhì)，再進(jìn)行混合；然后烘 干、過篩；將上述混合均勻的原料裝入坩堝中，在氬氣氣氛中于800 130(TC溫度下焙燒，并在該溫度下保溫1 4小時(shí)；焙燒后的產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫；然后用蒸餾水多次漂洗合成產(chǎn)物，去除殘留的熔鹽顆粒，烘干后即得板狀碳化鎢單晶顆粒；B. 取一定量的商業(yè)用WC粉、商業(yè)用Co粉和上述制得的板狀WC單晶顆粒作 為原料，三者的重量百分配比如下WC粉80~90%, Co粉5 15%， WC晶種晶粒 3~8%;先將商業(yè)用WC粉和Co粉經(jīng)高能球磨使其粒度變細(xì)，即將WC粉和Co粉裝 入球磨罐中，球磨介質(zhì)為WC硬質(zhì)合金球，球料比為20:1，球磨轉(zhuǎn)速為150rpm，球 磨時(shí)間為20小時(shí)；然后再加入板狀WC晶種晶粒， 一起共同充分混合； C.然后采用熱壓燒結(jié)方法，即將上述混合粉末松散置于石墨模具中，在氮?dú)鈿?氛中直接加熱燒結(jié)到1300~1500°C，并在此溫度下保溫5~10分鐘，隨后施加壓力 20 40MPa，再保溫30-90分鐘，最后將燒結(jié)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫；最終制得含定向 排列板狀碳化鎢晶粒的硬質(zhì)合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含板狀碳化鎢(WC)晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，屬碳化鎢硬質(zhì)合金制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的特點(diǎn)是以板狀碳化鎢單晶顆粒為晶種，將其與商業(yè)用WC粉和Co粉相混合；各原料的重量百分配比為WC粉80～90％，Co粉5～15％，WC晶種晶粒3～8％；混合料經(jīng)高能球磨，特別是采用特殊的熱壓工藝，可制得具有板狀WC晶粒定向排布特征的硬質(zhì)合金。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是通過調(diào)整加入的板狀WC晶種的尺寸和數(shù)量，可以控制硬質(zhì)合金中板狀WC晶粒的數(shù)量、尺寸和長厚比，從而優(yōu)化硬質(zhì)合金的性能。本發(fā)明方法工藝簡單，成本低，重現(xiàn)性好。
文檔編號(hào)C22C29/06GK101117673SQ20071004592
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者朱麗慧, 黃清偉 申請人:上海大學(xué)