專利名稱：一種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及塑性成形技術、粉末冶金技術和快速成形技術，具體是指一種低成本高性能碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料及其制備方法。
背景技術：
現有的碳化鎢基硬質合金材料，主要由基體碳化鎢和粘結相鈷組成，并主要采用預成形和輻射加熱燒結法進行制備。由于鈷資源短缺，造成材料原成本價格偏高；輻射加熱燒結法時間長、能源消耗大、燒結溫度較高，獲得的燒結材料的組織較粗大，燒結材料性能偏低；而且由于燒結過程中不存在燒結壓力，控制燒結材料的尺寸精度難度較大，從而在一定程度上限制了該類材料的應用。
Arenas F.J.等于2001年第19卷第4～6期《International Journal ofRefractory Metals&Hard Materials》上發表的文章“Densification，mechanicalproperties and wear behavior of WC-VC-Co-Al hardmetals”和李曉東等于2004年第14卷第1期《粉末冶金工業》上發表的文章“WC-(Co-Al)硬質合金的研究”中嘗試性地提出采用資源豐富的鋁部分代替鈷，研究發現，鋁與鈷形成的Co2Al5、Co3Al等金屬間化合物可有助于抑制碳化鎢和粘結相鈷的晶粒長大，從而理論上預測，燒結過程中生成的鈷-鋁金屬間化合物在一定程度上可改善燒結態碳化鎢合金的力學性能。然而由于在無壓燒結狀況下含鋁碳化鎢合金材料中易形成較多孔隙，碳化鎢合金的實際力學性能不僅沒有得到提高，相反卻有較大程度的削弱。因而，盡管選擇鋁部分替代鈷作為碳化鎢合金的粘結相，應用前景非常廣闊，但要使其力學性能達到工業應用水平，尚需通過深入摸索合金材料的成分配比和制備工藝，進一步提高粘結相的力學性能和減少燒結合金材料的孔隙度。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足之處，采用資源豐富的鋁部分代替戰略資源鈷，提供一種低成本碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料。
本發明的目的還在于提供一種以鋁部分代替鈷的碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料的制備方法。通過合理的成分設計和先進的制備工藝相結合，以利用電燒結過程時間短和燒結溫度相對較低以及燒結過程中鈷-鋁間形成的金屬間化合物可抑制碳化鎢晶粒的長大等特點，細化燒結組織，獲得超細晶甚至納米晶材料，并利用燒結壓力進一步提高燒結致密度，改善材料的綜合性能。另外，在保證材料較高性能的前提下，簡化材料的制備工藝，從而進一步降低材料的生產成本。
一種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料，其特征在于該材料配比中以鋁部分代替鈷，組分及其質量百分比含量如下WC 86～95％，Co 4～8％，Al1～3％，TiC 0～2％，VC 0～2％，其余為不可避免的微量雜質。
上述這種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計將WC、Co、Al、TiC和VC粉末按下述質量百分比用量進行配比WC86～95％、Co4～8％、Al1～3％、TiC0～2％、VC0～2％，其余為不可避免的微量雜質；步驟二高能球磨制備硬質合金粉末按上述粉末原料質量百分比用量分批投料預球磨，直至球磨粉末中WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，Co、Al相均勻分布，所有組分充分混合后再高能球磨至Co-Al相均勻包覆WC相；步驟三電流燒結球磨粉末采用電流快速燒結裝入電流燒結模具內的球磨粉末，電流快速燒結工藝條件如下燒結電流類型方波脈沖電流或/和恒流電流燒結壓力10MPa～50MPa；燒結時間2～8分鐘。
上述制備方法中分批投料預球磨的方式可以先對WC粉末進行球磨，直至WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，再將Co和Al按配比混合后進行球磨，直至球磨粉末中Co、Al相均勻分布，然后將WC、Co-Al以及TiC、VC按設計成分配比混合后進行高能球磨至Co-Al相均勻包覆WC相；或先對WC粉末進行球磨，直至WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，再將Co、Al、TiC和VC按配比混合后進行球磨，直至球磨粉末中Co、Al相均勻分布，然后將上述兩種球磨粉末即WC和Co-Al-TiC-VC按成分配比混合后進行高能球磨至Co-Al相均勻包覆WC相；或先將WC、TiC和VC粉末按配比混合后進行球磨，直至WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，再將Co和Al按配比混合后進行球磨，直至球磨粉末中Co、Al相均勻分布，將上述兩種球磨粉末即WC-TiC-VC和Co-Al按成分配比混合后進行高能球磨至Co-Al相均勻包覆WC相。
本發明與現有技術相比，具有以下優點1、采用本發明技術制備的碳化鎢基硬質合金實現了以鋁部分代鈷，較目前工業生產中常用的同類型碳化鎢基硬質合金的鈷含量可降低約20～30％，因鋁價格遠比鈷便宜，從而降低了硬質合金的材料成本。
2、采用本發明的高能球磨工藝所制備的粉末，不僅具有納米(非)晶WC組織，粉末中Al相以納米級尺寸均勻分布于Co相中，而且Co-Al相能均勻包覆或分布于WC相的邊界處，為燒結時，在粘結相Co基體中形成Co-Al金屬間化合物和利用Co-Al金屬間化合物抑制WC長大提供了可能。此外，納米尺度的TiC和/或VC相主要分布于WC相邊界處和Co-Al粘結相內部，從而保證了在后續燒結過程中充分發揮TiC和/或VC相對WC晶粒生長的抑制作用。
3、本發明采用的電流燒結技術，尤其是脈沖-恒流電流可在較短時間內實現對鐵基粉末體的快速燒結致密成形。與傳統的輻射加熱燒結工藝相比，采用電流燒結方法不僅熱效率高、燒結溫度低、燒結時間短、燒結態組織更細小均勻、孔隙率低，而且燒結體的形狀尺寸精度易于控制，此外，粉末成形與燒結一體化，不需要預成形，材料制備工藝路線得以簡化，可降低材料制備成本。
4、本發明制備的材料的綜合性能高于采用傳統輻射加法燒結方法制備的同類合金，是一種較為理想的刀具用材料。
5、綜上本發明的優點其性能達到了工業應用水平，有良好的推廣應用前景。
具體實施例方式
通過如下實施例對本發明作進一步說明
實施例1步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計合金成分WC94.5％，Co4.0％，Al1.0％，TiC0.5％，含有不可避免的微量雜質。
WC原料采用藍鎢粉順氫還原碳化法生產的WC粉體，其平均顆粒直徑約3μm，晶粒約0.5～0.8μm；Co、Al以單質形式加入，粉末平徑顆粒直徑約75μm，純度大于99.9％；TiC的顆粒直徑約2～3μm。
步驟二高能球磨制備硬質合金粉末所有球磨過程均在行星式球磨機中完成，磨球材質采用WC硬質合金，球料比方10∶1，球磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。
先對WC粉末單獨球磨75小時，WC粉末顆粒達到納米級；再將Co和Al按配比混合后，裝入高能球磨機磨罐中球磨50小時，使Co、Al相均勻分布；然后將TiC粉末和預球磨過的WC粉末、Co-Al粉末按設計的成分進行配比，最后裝入球磨機磨罐中再球磨50小時，使合金粉末中Co-Al相均勻包覆WC相。
步驟三電流燒結球磨粉末將20g球磨粉末裝入直徑為Φ20mm的陶瓷燒結模具中，通過先施加1分鐘的方波脈沖電流，再緊接著施加5分鐘恒流電流對粉末進行快速燒結。其中，脈沖電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3000A、360A、50Hz和50％，恒流電流為1500A。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末體施加30MPa燒結壓力。經6分鐘燒結獲得的WC基硬質合金材料的密度為14.6g/cm3，WC的晶粒尺寸約250nm，常溫硬度和抗彎強度分別為HRA95和1680MPa。
實施例2步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計合金成分
WC90.5％，Co6.0％Al1.5％，TiC2.0％，含有不可避免的微量雜質。
WC原料采用藍鎢粉順氫還原碳化法生產的WC粉體，其平均顆粒直徑約3μm，晶粒約0.5～0.8μm；Co、Al以單質形式加入，粉末平徑顆粒直徑約75μm，純度大于99.9％；TiC的顆粒直徑約2～3μm。
步驟二高能球磨制備硬質合金粉末所有球磨過程均在行星式球磨機中完成，磨球材質采用WC硬質合金，球料比為10∶1，球磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。
先對WC粉末單獨球磨75小時，WC粉末顆粒達到納米級；再將Co、Al、TiC按配比混合后，裝入高能球磨機磨罐中球磨50小時，使球磨粉末中Co、Al相均勻分布；然后將預球磨過的WC粉末、Co-Al-TiC粉末按設計的成分進行配比混合，最后裝入球磨機磨罐中再球磨50小時，使合金粉末中Co-Al相均勻包覆WC相。
步驟三電流燒結球磨粉末將20g球磨粉末裝入直徑為Φ20mm的陶瓷燒結模具中，通過先施加2分鐘的方波脈沖電流，再緊接著施加6分鐘恒流電流對粉末進行快速燒結。其中，脈沖電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3000A、360A、50Hz和50％，恒流電流為1500A。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末體施加10MPa燒結壓力。經8分鐘燒結獲得的WC基硬質合金材料的密度為14.7g/cm3，WC的晶粒尺寸約300nm，常溫硬度和抗彎強度分別為HRA94和1840MPa。
實施例3步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計合金成分WC88.5％，Co8.0％，Al2.0％，
TiC0.5％，VC1.0％，含有不可避免的微量雜質。
WC原料采用藍鎢粉順氫還原碳化法生產的WC粉體，其平均顆粒直徑約3μm，晶粒約0.5～0.8μm；Co和Al單質粉末的平徑顆粒直徑約75μm，純度大于99.9％；TiC和VC的顆粒直徑均約為2～3μm。
步驟二高能球磨制備硬質合金粉末所有球磨過程均在行星式球磨機中完成，磨球材質采用WC硬質合金，球料比為10∶1，球磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。
先將TiC、VC和WC粉末按設計成分配比后混合，裝入高能球磨機磨罐中球磨球磨50小時，至WC粉末顆粒達到亞微米級；再將Co和Al按設計成分配比混合后，裝入高能球磨機磨罐中球磨50小時，使Co、Al相均勻分布；最后將WC-TiC-VC預球磨粉末和Co-Al預球磨粉末按設計的成分進行配比混合后，裝入球磨機磨罐中球磨50小時，使合金粉末中Co-Al相均勻包覆WC相。
步驟三電流燒結球磨粉末將20g球磨粉末裝入直徑為Φ20mm的陶瓷燒結模具中，通過施加6分方波脈沖流電流對粉末進行快速燒結。其中，方波脈沖電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3000A、360A、50Hz和50％。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末體施加50MPa燒結壓力。經6分鐘燒結獲得的WC基硬質合金材料的密度為14.5g/cm3，WC的晶粒尺寸約200nm，常溫硬度和抗彎強度分別為HRA94和1550MPa。
實施例4步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計合金成分WC86.5％，Co8.0％，Al3％，TiC0.5％，VC2.0％，
含有不可避免的微量雜質。
WC原料采用藍鎢粉順氫還原碳化法生產的WC粉體，其平均顆粒直徑約3μm，晶粒約0.5～0.8μm；Co和Al單質粉末的平徑顆粒直徑約75μm，純度大于99.9％；TiC和VC的顆粒直徑均約為2～3μm。
步驟二高能球磨制備硬質合金粉末所有球磨過程均在行星式球磨機中完成，磨球材質采用WC硬質合金，球料比為10∶1，球磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。
先將TiC、VC和WC粉末按設計成分配比混合，裝入高能球磨機磨罐中球磨球磨50小時，至WC粉末顆粒達到亞微米級；再將Co和Al按設計成分配比混合，裝入高能球磨機磨罐中球磨50小時，使Co、Al相均勻分布；最后將WC-TiC-VC預球磨粉末和Co-Al預球磨粉末按設計的成分進行配比混合，再裝入球磨機磨罐中球磨50小時，使合金粉末中Co-Al相均勻包覆WC相。
步驟三電流燒結球磨粉末將20g球磨粉末裝入直徑為Φ20mm的陶瓷燒結模具中，通過施加1600A恒流電流對粉末進行快速燒結。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末體施加30MPa燒結壓力。經2分鐘燒結獲得的WC基硬質合金材料的密度為14.4g/cm3，WC的晶粒尺寸約300nm，常溫硬度和抗彎強度分別為HRA92和1610MPa。
實施例5步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計合金成分WC88.0％，Co8.0％，Al2.0％，TiC1.0％，VC1.0％，含有不可避免的微量雜質。
WC原料采用藍鎢粉順氫還原碳化法生產的WC粉體，其平均顆粒直徑約3μm，晶粒約0.5～0.8μm；Co、Al以單質形式加入，粉末平徑顆粒直徑約75μm，純度大于99.9％；TiC和VC的顆粒直徑均約為2～3μm。
步驟二高能球磨制備硬質合金粉末所有球磨過程均在行星式球磨機中完成，磨球材質采用WC硬質合金，球料比為10∶1，球磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。
先對WC粉末單獨球磨50小時，WC粉末顆粒達到亞微米級；再將Co、Al、TiC和VC按配比混合后，裝入高能球磨機磨罐中球磨25小時，使Co、Al相均勻分布；然后將預球磨過的WC粉末、Co-Al-TiC-VC粉末按設計的成分進行配比，最后裝入球磨機磨罐中再球磨50小時，使合金粉末中Co-Al相均勻包覆WC相。
步驟三電流燒結球磨粉末將20g球磨粉末裝入直徑為Φ20mm的陶瓷燒結模具中，通過先施加1分鐘的方波脈沖電流，再緊接著施加5分鐘恒流電流對粉末進行快速燒結。其中，脈沖電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3000A、360A、50Hz和50％，恒流電流為1500A。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末體施加30MPa燒結壓力。經6分鐘燒結獲得的WC基硬質合金材料的密度為14.5g/cm3，WC的晶粒尺寸約250nm，常溫硬度和抗彎強度分別為HRA93和1820MPa。
實施例6步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計合金成分WC91.5％，Co6.0％，Al1.5％，VC1.0％，含有不可避免的微量雜質。
WC原料采用藍鎢粉順氫還原碳化法生產的WC粉體，其平均顆粒直徑約3μm，晶粒約0.5～0.8μm；Co、Al以單質形式加入，粉末平徑顆粒直徑約75μm，純度大于99.9％；VC的顆粒直徑均約為2～3μm。
步驟二高能球磨制備硬質合金粉末所有球磨過程均在行星式球磨機中完成，磨球材質采用WC硬質合金，球料比為10∶1，球磨速度為266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。
先對WC粉末單獨球磨50小時，WC粉末顆粒達到亞微米級；再將Co、Al和VC按配比混合后，裝入高能球磨機磨罐中球磨50小時，使Co、Al相均勻分布；然后將預球磨過的WC粉末、Co-Al-VC粉末按設計的成分進行配比，最后裝入球磨機磨罐中再球磨50小時，使合金粉末中Co-Al相均勻包覆WC相。
步驟三電流燒結球磨粉末將20g球磨粉末裝入直徑為Φ20mm的陶瓷燒結模具中，通過先施加1分鐘的方波脈沖電流，再緊接著施加5分鐘恒流電流對粉末進行快速燒結。其中，脈沖電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3000A、360A、50Hz和50％，恒流電流為1500A。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末體施加30MPa燒結壓力。經6分鐘燒結獲得的WC基硬質合金材料的密度為14.6g/cm3，WC的晶粒尺寸約250nm，常溫硬度和抗彎強度分別為HRA94和1750MPa。
權利要求
1.一種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料，其特征在于該材料配比中以鋁部分代替鈷，組分及其質量百分比含量如下WC 86～95％，Co 4～8％，Al 1～3％，TiC 0～2％，VC 0～2％，其余為不可避免的微量雜質。
2.根據權利要求1所述的一種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟一碳化鎢基硬質合金粉末的成分設計將WC、Co、Al、TiC和VC粉末按下述質量百分比用量進行配比WC86～95％、Co 4～8％、Al 1～3％、TiC 0～2％、VC 0～2％，其余為不可避免的微量雜質；步驟二高能球磨制備硬質合金粉末按上述原料粉末質量百分比用量分批投料預球磨，直至球磨粉末中WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，Co、Al相均勻分布，所有組分充分混合后再高能球磨至Co-Al相均勻包覆WC相；步驟三電流燒結球磨粉末采用電流快速燒結裝入電流燒結模具內的球磨粉末，電流快速燒結工藝條件如下燒結電流類型方波脈沖電流或/和恒流電流燒結壓力10MPa～50MPa；燒結時間2～8分鐘。
3.根據權利要求2所述的一種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料的制備方法，其特征在于該方法中分批投料預球磨是指先對WC粉末進行球磨，直至WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，再將Co和Al按配比混合后進行球磨，直至球磨粉末中Co、Al相均勻分布，然后將WC、Co-Al以及TiC、VC按設計成分配比混合后進行高能球磨至Co-Al相均勻包覆WC相。
4.根據權利要求2所述的一種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料的制備方法，其特征在于該方法中分批投料預球磨是指先對WC粉末進行球磨，直至WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，再將Co、Al、TiC和VC按配比混合后進行球磨，直至球磨粉末中Co、Al相均勻分布，然后將上述兩種球磨粉末即WC和Co-Al-TiC-VC按成分配比混合后進行高能球磨至Co-Al相均勻包覆WC相。
5.根據權利要求2所述的一種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料的制備方法，其特征在于該方法中分批投料預球磨是指先將WC、TiC和VC粉末按配比混合后進行球磨，直至WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，再將Co和Al按配比混合后進行球磨，直至球磨粉末中Co、Al相均勻分布，將上述兩種球磨粉末即WC-TiC-VC和Co-Al按成分配比混合后進行高能球磨至Co-Al相均勻包覆WC相。
全文摘要
本發明涉及塑性成形技術、粉末冶金技術和快速成形技術，提供一種碳化鎢基硬質合金粉末冶金材料及其制備方法。該材料配比中以鋁部分代替鈷，組分及其質量百分比含量如下WC 86～95％，Co 4～8％，Al 1～3％，TiC 0～2％，VC 0～2％。其制備方法是首先按上述原料粉末用量分批投料預球磨，直至球磨粉末中WC粉末顆粒細化至亞微米或納米級，Co、Al相均勻分布，所有組分充分混合后再高能球磨至Co－Al相均勻包覆WC相；然后采用電流快速燒結法成形固結球磨粉末。本發明不僅可以節約戰略資源鈷和降低材料成本，而且該材料還達到了工業應用水平，有良好的推廣應用前景。
文檔編號B22F1/00GK1803347SQ200610033110
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月20日 優先權日2006年1月20日
發明者李元元, 李小強, 龍雁, 邵明, 陳維平 申請人:華南理工大學