一種復(fù)合硬質(zhì)合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合硬質(zhì)合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金材料應(yīng)用于制造業(yè)的加工工具，具有硬度高、良好的高溫性能和優(yōu)秀的耐磨性能，號(hào)稱工業(yè)的牙齒。
[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(guó)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(guó)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(rùn)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(gè)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(guó)對(duì)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(duì)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、熱沖擊性能好的復(fù)合硬質(zhì)合金材料及其制備方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種復(fù)合硬質(zhì)合金材料，該復(fù)合硬質(zhì)合金材料由下列重量份數(shù)的組分制得:
納米碳化鈦35-40份、納米氮化鈦5-15份、碳化鎢7-9份、碳化鈮5_8份、碳化硅3-7份、鈷粉3-5份、氧化紀(jì)1-3份、碳化銷1-3份、鈦粉1-5份。
[0009]本發(fā)明還提供上述一種復(fù)合硬質(zhì)合金材料的制備方法，包括下述步驟:
(O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、
碳化鋁、鈦粉，干式球磨混合均勻后，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末； (2)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；
(3)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，得到硬質(zhì)
I=IO
[0010]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 ;所述鈦粉的粒度為1.8-3.5 μπι ;所述氧化紀(jì)的粒度為1.0-3.0ym ;所述碳化銀、碳化娃和碳化鋁的粒度為1.5-3.5 μ mo
[0011]優(yōu)選的，在步驟(I)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、碳化鋁、鈦粉，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(shí)間為45-75分鐘；
還原反應(yīng)方程為:
Y203+3H2= 2Y+3H20o
[0012]優(yōu)選的，在步驟(2)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(shí)，控制溫度為1430-1445?、真空度為5Xl(T4-5Xl(T5Pa，壓力為 8-lOMPa，時(shí)間為 50_75min。
[0013]優(yōu)選的，在步驟(3)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。
[0014]優(yōu)選的，在步驟(2)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。
[0015]優(yōu)選的，所述濕磨的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50_100r/min，球磨時(shí)間為15_20h。
[0016]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(zhǎng)大的作用；另一方面，由于稀土元素相對(duì)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。
[0017](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(zhǎng)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(shí)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(shí)間就能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(gè)合理水平，這就保證了硬質(zhì)合金的韌性。
[0018](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(zhǎng)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。
[0019](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(duì)錯(cuò)位起釘扎作用，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙；
(3)納米TiN易在粘接相中溶解，其Ti對(duì)粘接相金屬起固溶強(qiáng)化作用。
[0020]綜合上述優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明制備得到的復(fù)合硬質(zhì)合金材料硬度達(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13MPam1/2以上。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1
本實(shí)施例的復(fù)合硬質(zhì)合金材料由下列重量份數(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、碳化鋁I份、鈦粉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 ;所述鈦粉的粒度為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、碳化硅和碳化鋁的粒度為1.5-3.5 μπι。
[0022]將按