一種刀具材料的復(fù)合硬質(zhì)合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種刀具材料的復(fù)合硬質(zhì)合金的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金應(yīng)用于制造業(yè)的加工刀具，具有硬度高、良好的高溫性能和優(yōu)秀的耐磨性能，號稱工業(yè)的牙齒。做為金屬切削用合金隨著組分變化衍生出針對各種材質(zhì)牌號。
[0003]碳化鎢基硬質(zhì)合金由于其高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和高紅硬性，被廣泛地用作切削刀具、礦山工具和耐磨零件等，從沖擊韌性和耐磨性綜合要求而言，低鈷粗晶粒合金結(jié)構(gòu)能滿足這種要求。
[0004]金屬陶瓷迄今為止已歷經(jīng)三代，第一代是“二戰(zhàn)”期間，德國以Ni粘結(jié)TiC生產(chǎn)金屬陶瓷；第二代是20世紀(jì)60年代美國福特汽車公司添加Mo到Ni粘結(jié)相中改善TiC和其他碳化物的潤濕性，從而提高材料的韌性；第三代金屬陶瓷則將氮化物引入合金的硬質(zhì)相，改單一相為復(fù)合相。又通過添加Co相和其他元素改善了粘結(jié)相。金屬陶瓷研制的另一個新方向是硼化物基金屬陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔點(diǎn)和優(yōu)良的導(dǎo)電性，耐腐蝕性，從而使硼化物基金屬陶瓷成為最有發(fā)展前途的金屬陶瓷。但是目前我國對金屬陶瓷在性能方面的改進(jìn)仍不理想，現(xiàn)有金屬陶瓷的洛氏硬度和抗彎強(qiáng)度仍有待進(jìn)一步提高。
[0005]Ti (C，N)基金屬陶瓷是一類以Ti (C，N)粉或TiC與TiN的混合粉為硬質(zhì)相主要原料，以Co、N1、Mo等金屬為粘接相原料，且通常還加入有WC、TaC、NbC、Mo2C、VC、Cr3C2等過渡族金屬碳化物為添加劑經(jīng)過粉碎、混合一模壓一燒結(jié)所形成的復(fù)合材料，主要用于制造切削工具。
[0006]與傳統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金相比，Ti (C，N)基金屬陶瓷具有如下優(yōu)點(diǎn):高的紅硬性、高溫抗氧化性能好、高的熱導(dǎo)率。這些性能使得Ti (C，N)基金屬陶瓷更適于進(jìn)行高速切削和對材料的精加工和半精加工。但是，與WC-Co硬質(zhì)合金相比，Ti (C，N)基金屬陶瓷較低的強(qiáng)韌性卻極大地限制了它作為刀具材料的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)度高、韌性好、耐磨、熱沖擊性能好的一種刀具材料的復(fù)合硬質(zhì)合金的制備方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種刀具材料的復(fù)合硬質(zhì)合金的制備方法，包括如下步驟:
(I)備料
按如下重量份準(zhǔn)備原材料:納米碳化鈦35-40份、納米氮化鈦5-15份、碳化鎢7-9份、碳化銀5-8份、碳化娃3-7份、鈷粉3-5份、氧化紀(jì)1-3份、碳化硼1-3份、銅粉1-5份。
[0009](2 )制備貧碳合金粉末
將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化硅、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，干式球磨混合均勻后，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末； (3)制備預(yù)燒結(jié)基體
將上述貧碳合金粉末壓制成型，真空燒結(jié)，得到貧碳預(yù)燒結(jié)基體；
(4)滲碳處理
將預(yù)燒結(jié)基體置于氫氣氣氛中，在1420-1450°C進(jìn)行滲碳處理60-100分鐘，得到滲碳后的硬質(zhì)合金。
[0010](5)分步燒制
第一步:將滲碳后的硬質(zhì)合金球磨至粒度為0.1-5 μπι的粉末，末裝入硬質(zhì)合金模具預(yù)壓，然后放入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行低溫高壓預(yù)燒結(jié)，采用如下工藝參數(shù):在燒結(jié)壓力100-300MPa下，溫度從室溫升至100°C，升溫速率為10-50 °C /min，在100°C保溫10-30min ;保溫結(jié)束后，溫度由100°C升至300 °C，升溫速率為10-50 °C /min，在300°C下保溫10-30min ;保溫結(jié)束后，增加燒結(jié)壓力至300_500MPa，在此壓力下溫度由300°C升至500-700°C，升溫速率為 10-100°C /min，在 500_700°C溫度下保溫 30_60min ；
第二步:將第一步得到的硬質(zhì)合金模具中預(yù)燒結(jié)后的塊體裝入高強(qiáng)石墨模具中，放入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行第二步致密化燒結(jié)，采用的工藝參數(shù)為:燒結(jié)壓力為70-240MPa，升溫速率為50_100°C /min,燒結(jié)溫度為980-1040°C，在980-1040°C溫度下保溫l-3min，保溫結(jié)束后以10-100°C /min的冷卻速率降溫至300°C，然后隨爐冷卻至室溫，最后得到刀具材料的復(fù)合硬質(zhì)合金。
[0011]優(yōu)選的，所述碳化鎢的粒度為2.0-5.0 μ m，所述鈷粉的粒度為1.5-3.5 ym ;所述銅粉的粒度為1.8-3.5 μπι ;所述氧化紀(jì)的粒度為1.0-3.0 μπι ;所述碳化銀、碳化娃和碳化硼的粒度為1.5-3.5 μπι。
[0012]優(yōu)選的，在步驟(2 )中，納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化硅、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，干式球磨混合均勻后，在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為900-1050°C、時間為45-75分鐘；
還原反應(yīng)方程為:
Y203+3H2= 2Y+3H20o
[0013]優(yōu)選的，在步驟(3)中，將含有稀土的貧碳硬質(zhì)合金粉末在150_200MPa下壓制成形后，經(jīng)加壓燒結(jié)，得到貧碳預(yù)燒結(jié)基體，加壓燒結(jié)時，控制溫度為1430-1445?、真空度為5Xl(T4-5Xl(T5Pa，壓力為 8-lOMPa，時間為 50_75min。
[0014]優(yōu)選的，在步驟(4)中，滲碳所用碳源選自致密結(jié)晶狀石墨、鱗片狀石墨、隱晶質(zhì)石墨中的至少一種。
[0015]優(yōu)選的，在步驟(3)壓制成型之前，將貧碳硬質(zhì)合金粉末進(jìn)行濕磨，球磨介質(zhì)為酒精，所述酒精與貧碳硬質(zhì)合金粉末的原料液固比為400-600ml/Kg，球磨的球料比為4-6:1，濕磨完成后將料漿進(jìn)行過濾，采用噴霧干燥器進(jìn)行霧化干燥制粒。
[0016]優(yōu)選的，所述濕磨的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50_100r/min，球磨時間為15_20h。
[0017]有益效果
(I)本發(fā)明由于在制備硬質(zhì)合金過程中添加了稀土氧化物，混合均勻后還原為稀土金屬。在預(yù)燒結(jié)過程中，稀土元素一方面可以固溶到Co相中，起到抑制晶粒長大的作用；另一方面，由于稀土元素相對于硬質(zhì)合金中其它元素更為活潑，易與合金中的氧、硫等雜質(zhì)結(jié)合，凈化晶界，消除缺陷。
[0018](2)滲碳過程中，稀土可以減緩Co相中WC的溶解析出，進(jìn)而大大減緩了 WC晶粒的長大，這為制備高性能硬質(zhì)合金提供必要條件。滲碳過程中，添加稀土合金晶粒仍然較未添加合金更為細(xì)小，所以最后形成的合金表層晶粒較為細(xì)??；同時細(xì)小的晶粒促進(jìn)了滲碳反應(yīng)的進(jìn)行，更多的Co往硬質(zhì)合金內(nèi)部迀移，使得表層低Co、細(xì)小晶粒，進(jìn)而提高了硬質(zhì)合金表層的硬度。通過控制滲碳時間就能實(shí)現(xiàn)對梯度層后的控制，這為制得優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)合金提供了必要條件，這也是現(xiàn)有技術(shù)很難達(dá)到的。同時由于梯度層厚度的增加，使得硬質(zhì)合金內(nèi)的缺碳相維持在一個合理水平，這就保證了硬質(zhì)合金的韌性。
[0019](3)預(yù)燒結(jié)過程中，AlN與TiCN結(jié)合面上生成TiAlN化合物，AlN與TiAlN化合物為一種高溫下穩(wěn)定的化合物，其具有有效隔絕硬質(zhì)相中T1、N、C原子向外的擴(kuò)散的作用，從而有效抑制T1、N、C原子在粘接相中的溶解和析出，降低了碳氮化鈦在粘接相中的溶解度，減少碳氮化鈦在粘接相中溶解析出再長大導(dǎo)致的N分解，增強(qiáng)碳氮化鈦的穩(wěn)定性，使碳氮化鈦晶粒得到細(xì)化，提高金屬陶瓷的硬度和強(qiáng)韌性。
[0020](4)在TiCN基金屬陶瓷中添加納米TiN可顯著提高金屬陶瓷綜合力學(xué)性能，主要原因在于:(1)納米TiN在粘接相中的溶解占位而降低了硬質(zhì)相在粘接相中的溶解度，由此使硬質(zhì)相的晶粒得到細(xì)化；(2)納米TiN顆粒對錯位起釘扎作用，增大了位錯運(yùn)動的阻礙；
(3)納米TiN易在粘接相中溶解，其Ti對粘接相金屬起固溶強(qiáng)化作用。
[0021](5)分兩步燒制可以使得燒結(jié)更致密，并能進(jìn)一步抑制在升溫過程中的晶粒生長，可進(jìn)一步提升合金的硬度和斷裂韌性綜合性能
綜合上述優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明制備得到的復(fù)合硬質(zhì)合金硬度達(dá)到120-135HRA，材料抗彎曲強(qiáng)度達(dá)到2400MPa以上，材料的斷裂韌性達(dá)到13.5MPam1/2以上。
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1
本實(shí)施例的復(fù)合硬質(zhì)合金由下列重量份數(shù)的組分制得:
納米碳化鈦35份、納米氮化鈦5份、碳化鎢7份、碳化鈮5份、碳化硅3-7份、鈷粉3份、氧化釔I份、碳化硼I份、銅粉I份。所述碳化鎢的粒度為2.0-5.0 μ m，所述鈷粉的粒度為1.5-3.5 μπι ;所述銅粉的粒度為1.8-3.5 μπι ;所述氧化紀(jì)的粒度為1.0-3.0 μπι ;所述碳化鈮、碳化硅和碳化硼的粒度為1.5-3.5 μπι。
[0023]將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化硅、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，干式球磨混合均勻后，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末。在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為900 0C、時間為45分鐘。
[0024]將貧碳硬質(zhì)合金粉末進(jìn)行濕磨，球磨介質(zhì)為酒精，所述酒精與貧碳硬質(zhì)合金粉末的原料液固比為400ml/Kg，球磨的球料比為4:1o所述濕磨的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50r/min，球磨時間為15h。濕磨完成后將料漿進(jìn)行過濾，采用噴霧干燥器進(jìn)行霧化干燥制粒。將干燥后的貧碳合金粉末在150MPa下壓制成形后，經(jīng)加壓燒結(jié)，得到貧碳預(yù)燒結(jié)基體，加壓燒結(jié)時，控制溫度為1430°C、真空度為5 X l(T4Pa，壓力為8MPa，時間為50min。
[0025]將預(yù)燒結(jié)基體置于氫氣氣氛中，在1420°C進(jìn)行滲碳處理60分鐘，得到硬質(zhì)合金。滲碳用碳源選用致密結(jié)晶狀石墨。
[0026]第一步燒制:將滲碳后的硬質(zhì)合金球磨至粒度為0.1-5 μm的粉末，末裝入硬質(zhì)合金模具預(yù)壓，然后放入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行低溫高壓預(yù)燒結(jié)，采用如下工藝參數(shù):在燒結(jié)壓力300MPa下，溫度從室溫升至100 °C，升溫速率為50 °C /min，在100°C保溫30min ；保溫結(jié)束后，溫度由100°C升至300°C，升溫速率為50°C /min，在300°C下保溫30min ;保溫結(jié)束后，增加燒結(jié)壓力至500MPa，在此壓力下溫度由300°C升至700°C，升溫速率為100°C /min，在700°C