本發明屬于硬質合金材料制備
技術領域：
，具體為一種超粗晶WC-Co硬質合金的制備方法。
背景技術：
：按照ISO4499-2，WC晶粒度≧6.0μm的硬質合金被稱為超粗晶硬質合金。超粗晶硬質合金具有優異的熱傳導性、抗熱沖擊性、抗熱疲勞性和高的抗彎強度，是理想的礦用、工程和模具用材料，也是硬質合金的發展方向之一。傳統制備硬質合金的工藝是以碳化鎢粉和鈷粉為主要原料，通過配料、球磨、干燥和制粒后形成混合料，然后以一定成形工藝制備成產品生坯，進而通過燒結工藝制備成硬質合金產品。從制備原料上，由于顯微結構的延續性，通常采用細粒度的碳化鎢粉制備細WC晶粒硬質合金，采用粗粒度的碳化鎢粉制備粗WC晶粒硬質合金。因此，現行生產超粗晶WC-Co硬質合金的方法主要是采用超粗碳化鎢粉末和鈷粉為原料，通過配料、球磨、干燥、制粒后，壓制并燒結成為產品。但是超粗碳化鎢粉末在球磨過程中會發生破碎，粒度大幅減小，燒結過程中WC晶粒不能長大為超粗晶WC粒，即便以粒度大于20μm的碳化鎢粉為原料，制備的合金晶粒度也僅為3.0-6.0μm；如果過分提高燒結溫度或者延長保溫時間雖然可以使WC晶粒粗化，但又會導致WC晶粒分布變寬，使硬質合金性能下降；而降低球磨強度，雖然可以使混合料中碳化鎢粉末保持較大粒徑，但這樣獲得的混合料中缺乏足夠的有活性的細粉，而保留下來的較大粒徑碳化鎢粉也沒有足夠的活性，不能夠在后續燒結中制備成致密的硬質合金。因此很難以超粗碳化鎢粉制備超粗晶硬質合金。從工藝上，制備超粗晶硬質合金主要是采取延長混合料球磨時間、混合料粉末復雜的預處理、復雜的WC粒度控制工藝、提高燒結溫度以及延長保溫時間。其中，延長混合料球磨時間易導致WC晶粒嚴重破碎，難以制備晶粒度大的超粗晶硬質合金，提高燒結溫度或延長保溫時間雖然可以使WC晶粒長粗，但容易誘發WC晶粒分布變寬，導致硬質合金力學性能下降，而上述的其它制備超粗晶硬質合金的方法工藝復雜、生產周期長、生產成本高，難以實現批量化生產。技術實現要素：本發明的目的在于克服現有的制備超粗晶硬質合金球磨工藝中球磨時間長、WC晶粒的破碎嚴重等技術的不足，提供一種超粗晶WC-Co硬質合金的制備方法，通過在原料中加入預處理的超細WC粉，鎢粉及碳黑，同時對其制備的球磨及壓制工藝進行改進，能夠制備出平均晶粒度在5.7～6.5μm且性能優異的硬質合金。采用本發明原料及方法制備出的超粗晶硬質合金組織結構均勻，WC硬質相平均晶粒度尺寸粗大，晶粒分布窄，產品孔隙度小，致密度好，機械性能好。本發明目的通過下述技術方案來實現：一種超粗晶WC-Co硬質合金的制備方法，包括以下步驟：1)將經過預磨的超細WC粉與超粗WC粉、Co粉、鎢粉及碳黑混合得到混合料Ⅰ，并加入石蠟得到混合料Ⅱ，石蠟與混合料Ⅰ的質量百分比為1％～2.5％；2)向上述混合料Ⅱ中加入無水酒精作為研磨介質，混合料Ⅱ與無水酒精的料液比為0.2mL/Kg～0.3mL/Kg，同時向混合料Ⅱ中加入硬質合金研磨棒，硬質合金研磨棒與混合料Ⅱ的棒料比為1.2:1～1.8:1；3)將步驟2)制備的物質在球磨機中球磨7～13小時，然后真空干燥3～6小時制備成混合料Ⅲ，并確保混合料Ⅲ中超粗碳化鎢粉的平均粒徑為5.7μm～6.5μm；4)將混合料Ⅲ經壓制、燒結成超粗晶WC-Co硬質合金。與現有的WC-Co硬質合金的原料相比，本發明在傳統超粗WC粉及Co粉的基礎上加入了超細WC粉，鎢粉及碳黑。鎢粉經高溫熔解析出，粘附在原有超粗WC粉上，進一步增粗合金晶粒度，同時還可以起到改變合金中的鈷相，增強硬質合金的強度以及平衡合金中碳量的目的。碳黑的加入可以增強硬質合金的強度，提供其抗沖擊性能，同時還可以優化合金中的碳量，降低硬質合金的脆性。本發明在原料中增加超細WC粉，并預磨一定的時間，其目的是增加其活性，使其在高溫燒結時，熔解析出，附著在超粗WC身上，使硬質合金的晶粒度達到設計的要求。作為本發明超粗晶WC-Co硬質合金制備方法的一種優選，所述超細WC粉，超粗WC粉，Co粉，鎢粉及碳黑的質量比為5～10：75～91：6～15：0～1：0～1.5份。作為本發明超粗晶WC-Co硬質合金制備方法的進一步優選，所述超細WC粉的費氏粒度為0.2μm～0.6μm，所述超粗WC粉的費氏粒度為15μm～26μm，所述Co粉的費氏粒度為1μm～3μm，所述鎢粉的費氏粒度為0.45～0.8μm，所述碳黑的費氏粒度為1～1.3μm。作為本發明超粗晶WC-Co硬質合金制備方法的更進一步優選，所述超細WC粉在添加前需要單獨預磨40～50小時，然后沉淀待用。本發明超細WC粉預磨合大批量研磨一樣，用滾筒球磨機，按1:5的球料比，無水酒精作為研磨介質進行預磨。這一預磨技術的實現對本領域內技術人員是常規的，且對欲磨后超細WC的粒度沒有特別限制，只要按照本發明限定的常規方式進行預磨，實現本發明超細WC預磨目的均可。作為本發明超粗晶WC-Co硬質合金制備方法的一種優選，所述混合料Ⅲ制取之后和壓制之前還包括將混合料Ⅲ過200～500目篩網以及過篩后放入制粒機中滾動12～18分鐘制粒，且制粒采取反復多次制粒制成相適應料粒松裝，形成可壓制性能粒料。這樣設計可以在一定程度上解決超粗晶混合料流動性差及給料困難的技術問題。作為本發明超粗晶WC-Co硬質合金制備方法的一種優選，所述硬質合金研磨棒的尺寸為且所述硬質合金研磨棒采用超粗硬質合金，制備該超粗硬質合金的WC費氏粒度為20μm～26μm。本發明在WC-Co硬質合金的球磨工藝中采用的是硬質合金研磨棒，代替傳統的硬質合金球，可以顯著降低球磨時間，由現有的20～28小時縮短為7～13小時，在提高球磨效果的同時能有效降低WC晶粒破碎；且本發明將制備硬質合金研磨棒的超粗硬質合金WC費氏粒度設定為20μm～26μm，有助于降低球磨時間，提高球磨效率。本發明將硬質合金研磨棒與混合料Ⅱ的棒料比設定為1.2:1～1.8:1，混合料Ⅱ與無水酒精的料液比設定為0.2mL/Kg～0.3mL/Kg，可以使混合料粘度下降有效降低了研磨時間。作為本發明超粗晶WC-Co硬質合金制備方法的一種優選，所述壓制的壓力為60～95MPa；所述燒結步驟是將壓制的壓坯在真空條件下燒結，燒結溫度控制在1400℃～1500℃，保溫時間控制在90～100min，燒結爐內壓力為3～7MPa。更進一步，所述壓制采用三次以上或多次反復震動給料；所述壓制磨具采用合金磨具，且磨具的收縮系數為1.23-1.26；所述壓制所使用的壓機采用雙向加壓。本發明壓制采用三次以上或多次反復振動給料，有效解決超粗晶混合料流動性差及給料困難的技術難題；壓制磨具采用合金磨具，可以大大延長其使用壽命，同時將磨具的收縮系數設定為1.23-1.26，有效解決超粗晶混合料流動性差及成型困難等問題。確保產品毛胚不分層、無裂紋、不出現未壓好等現象；壓機采用雙向加壓，并適度保壓，使產品的致密性更好，又減少了半成品的分層、裂紋等現象。作為本發明一種超粗晶WC-Co硬質合金制備方法的一個具體實施例，其制備方法包括以下步驟：1)取5份費氏粒度為0.4μm的超細WC粉單獨預磨45小時后沉淀待用；2)將經過預磨的超細WC粉與77份費氏粒度為20μm的超粗WC粉、12份費氏粒度為2μm的Co粉、0.5份費氏粒度為0.45μm的鎢粉及1份費氏粒度為1.3μm的碳黑混合得到混合料Ⅰ，并加入石蠟得到混合料Ⅱ，石蠟與混合料Ⅰ的質量百分比為1.5％；3)向上述混合料Ⅱ中加入無水酒精作為研磨介質，混合料Ⅱ與無水酒精的料液比為0.2mL/Kg，同時向混合料Ⅱ中加入硬質合金研磨棒，硬質合金研磨棒與混合料Ⅱ的棒料比為1.5:1，硬質合金研磨棒采用超粗硬質合金，制備該超粗硬質合金的WC費氏粒度為24μm；4)將步驟3)制備的物質在球磨機中球磨10小時，然后真空干燥4小時制備成混合料Ⅲ，并確保混合料Ⅲ中超粗碳化鎢粉的平均粒徑為6.0μm；5)將混合料Ⅲ過200目篩網過篩后放入制粒機中滾動15分鐘制粒，然后在80MPa壓力下壓制，最后經燒結成超粗晶WC-Co硬質合金，其中燒結在真空條件下進行，燒結溫度為1400℃，保溫時間100分鐘，燒結爐內壓力為5MPa。作為本發明一種超粗晶WC-Co硬質合金制備方法的一個具體實施例，其制備方法包括以下步驟：1)取8份費氏粒度為0.2μm的超細WC粉單獨預磨40小時后沉淀待用；2)將經過預磨的超細WC粉與90份費氏粒度為15μm的超粗WC粉、10份費氏粒度為3μm的Co粉、1份費氏粒度為0.8μm的鎢粉及1.2份費氏粒度為1μm的碳黑混合得到混合料Ⅰ，并加入石蠟得到混合料Ⅱ，石蠟與混合料Ⅰ的質量百分比為2.0％；3)向上述混合料Ⅱ中加入無水酒精作為研磨介質，混合料Ⅱ與無水酒精的料液比為0.3mL/Kg，同時向混合料Ⅱ中加入硬質合金研磨棒，硬質合金研磨棒與混合料Ⅱ的棒料比為1.7:1，硬質合金研磨棒采用超粗硬質合金，制備該超粗硬質合金的WC費氏粒度為24μm；4)將步驟3)制備的物質在球磨機中球磨11小時，然后真空干燥5小時制備成混合料Ⅲ，并確保混合料Ⅲ中超粗碳化鎢粉的平均粒徑為6.5μm；5)將混合料Ⅲ過400目篩網過篩后放入制粒機中滾動12分鐘制粒，然后在60MPa壓力下壓制，最后經燒結成超粗晶WC-Co硬質合金，其中燒結在真空條件下進行，燒結溫度為1500℃，保溫時間95分鐘，燒結爐內壓力為7MPa。本發明的有益效果：1、與現有的WC-Co硬質合金的原料相比，本發明在傳統超粗WC粉及Co粉的基礎上加入了超細WC粉，鎢粉及碳黑。在滿足超粗晶粒度要求前提下，能夠顯著提高WC-Co硬質合金的抗彎強度，平衡并優化合金中的碳量，降低合金的脆性，提高其抗沖擊力。2、本現有制備工藝相比，本發明通過改變研磨體、混合料研磨棒棒料配比，調整混合料與研磨介質(酒精)的料液比，有效降低WC晶粒的破碎，制備晶粒度大于6.0μm的硬質合金。3、采用該發明方法制備的超粗晶硬質合金組織結構均勻，WC硬質相平均晶粒度尺寸粗大，晶粒分布窄，產品孔隙度小，致密度好，綜合性能好；本發明是原球磨工藝的基礎上進行改進優化，不改變現有生產裝備，其工藝簡單、生產成本低、適合工業化生產。附圖說明圖1為實施例1制備的WC-Co硬質合金粒度分布圖；圖2為實施例1制備的平均WC-Co粒度為6.0μm硬質合金晶相掃描電鏡圖具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。實施例1本實施例超粗晶WC-Co硬質合金的制備方法如下：1)取5份費氏粒度為0.4μm的超細WC粉單獨預磨45小時后沉淀待用；2)將經過預磨的超細WC粉與77份費氏粒度為20μm的超粗WC粉、12份費氏粒度為2μm的Co粉、0.5份費氏粒度為0.45μm的鎢粉及1份費氏粒度為1.3μm的碳黑混合得到混合料Ⅰ，并加入石蠟得到混合料Ⅱ，石蠟與混合料Ⅰ的質量百分比為1.5％；3)向上述混合料Ⅱ中加入無水酒精作為研磨介質，混合料Ⅱ與無水酒精的料液比為0.2mL/Kg，同時向混合料Ⅱ中加入硬質合金研磨棒，硬質合金研磨棒與混合料Ⅱ的棒料比為1.5:1，硬質合金研磨棒采用超粗硬質合金，制備該超粗硬質合金的WC費氏粒度為24μm；4)將步驟3)制備的物質在球磨機中球磨10小時，然后真空干燥4小時制備成混合料Ⅲ，并確保混合料Ⅲ中超粗碳化鎢粉的平均粒徑為6.0μm；5)將混合料Ⅲ過200目篩網過篩后放入制粒機中滾動15分鐘制粒，然后在80MPa壓力下壓制，最后經燒結成超粗晶WC-Co硬質合金，其中燒結在真空條件下進行，燒結溫度為1400℃，保溫時間100分鐘，燒結爐內壓力為5MPa。采用截線法對本實施例制備的超粗晶WC-Co硬質合金的粒度進行統計分析，其結果如圖1所示，從圖1可以看出本實施例制備的超粗硬質合金對WC粒度進行了有效的控制，粒度分布窄，中等超粗WC粒度基多，細晶粒WC少。圖2本實施例制備的平均WC粒度為6.0μm硬質合金晶相掃描電鏡圖，由圖2可以看出，本發明制備的超粗晶WC-Co硬質合金微觀組織結構均勻，未見異常粗大晶粒。綜上所述，本實施例制備的超粗晶硬質合金組織結構均勻，WC硬質相平均晶粒度尺寸粗大，晶粒分布窄，產品孔隙度小，致密度好。實施例2本實施例超粗晶WC-Co硬質合金的制備方法如下：1)取8份費氏粒度為0.2μm的超細WC粉單獨預磨40小時后沉淀待用；2)將經過預磨的超細WC粉與90份費氏粒度為15μm的超粗WC粉、10份費氏粒度為3μm的Co粉、1份費氏粒度為0.8μm的鎢粉及1.2份費氏粒度為1μm的碳黑混合得到混合料Ⅰ，并加入石蠟得到混合料Ⅱ，石蠟與混合料Ⅰ的質量百分比為2.0％；3)向上述混合料Ⅱ中加入無水酒精作為研磨介質，混合料Ⅱ與無水酒精的料液比為0.3mL/Kg，同時向混合料Ⅱ中加入硬質合金研磨棒，硬質合金研磨棒與混合料Ⅱ的棒料比為1.7:1，硬質合金研磨棒采用超粗硬質合金，制備該超粗硬質合金的WC費氏粒度為24μm；4)將步驟3)制備的物質在球磨機中球磨11小時，然后真空干燥5小時制備成混合料Ⅲ，并確保混合料Ⅲ中超粗碳化鎢粉的平均粒徑為6.5μm；5)將混合料Ⅲ過400目篩網過篩后放入制粒機中滾動12分鐘制粒，然后在60MPa壓力下壓制，最后經燒結成超粗晶WC-Co硬質合金，其中燒結在真空條件下進行，燒結溫度為1500℃，保溫時間95分鐘，燒結爐內壓力為7MPa。本實施例制備的超粗晶WC-Co硬質合金產品粒度及晶相采用與實施例1相同的方法進行分析，且具有相似效果，在此不做說明。實施例3本實施例超粗晶WC-Co硬質合金的制備方法如下：1)取8份費氏粒度為0.6μm的超細WC粉單獨預磨50小時后沉淀待用；2)將經過預磨的超細WC粉與83份費氏粒度為18μm的超粗WC粉、10份費氏粒度為1μm的Co粉、0.8份費氏粒度為0.6μm的鎢粉及1.2份費氏粒度為1.1μm的碳黑混合得到混合料Ⅰ，并加入石蠟得到混合料Ⅱ，石蠟與混合料Ⅰ的質量百分比為1.2％；3)向上述混合料Ⅱ中加入無水酒精作為研磨介質，混合料Ⅱ與無水酒精的料液比為0.25mL/Kg，同時向混合料Ⅱ中加入硬質合金研磨棒，硬質合金研磨棒與混合料Ⅱ的棒料比為1.8:1，且硬質合金研磨棒采用超粗硬質合金，制備該超粗硬質合金的WC費氏粒度為20μm；4)將步驟3)制備的物質在球磨機中球磨7小時，然后真空干燥5小時制備成混合料Ⅲ，并確保混合料Ⅲ中超粗碳化鎢粉的平均粒徑為6.2μm；5)將混合料Ⅲ過300目篩網過篩后放入制粒機中滾動12分鐘制粒，然后在90MPa壓力下壓制，最后經燒結成超粗晶WC-Co硬質合金，其中燒結在真空條件下進行，燒結溫度為1450℃，保溫時間90分鐘，燒結爐內壓力為6MPa。本實施例制備的超粗晶WC-Co硬質合金產品粒度及晶相采用與實施例1相同的方法進行分析，且具有相似效果，在此不做說明。實施例4本實施例超粗晶WC-Co硬質合金的制備方法如下：1)取5份費氏粒度為0.3μm的超細WC粉單獨預磨42小時后沉淀待用；2)將經過預磨的超細WC粉與75份費氏粒度為22μm的超粗WC粉、15份費氏粒度為1.5μm的Co粉、0.3份費氏粒度為0.5μm的鎢粉及1.5份費氏粒度為1.1μm的碳黑混合得到混合料Ⅰ，并加入石蠟得到混合料Ⅱ，石蠟與混合料Ⅰ的質量百分比為2.2％；3)向上述混合料Ⅱ中加入無水酒精作為研磨介質，混合料Ⅱ與無水酒精的料液比為0.30mL/Kg，同時向混合料Ⅱ中加入硬質合金研磨棒，硬質合金研磨棒與混合料Ⅱ的棒料比為1.2:1，且硬質合金研磨棒采用超粗硬質合金，制備該超粗硬質合金的WC費氏粒度為25μm；4)將步驟3)制備的物質在球磨機中球磨12小時，然后真空干燥5小時制備成混合料Ⅲ，并確保混合料Ⅲ中超粗碳化鎢粉的平均粒徑為6.5μm；5)將混合料Ⅲ過500目篩網過篩后放入制粒機中滾動18分鐘制粒，然后在90MPa壓力下壓制，最后經燒結成超粗晶WC-Co硬質合金，其中燒結在真空條件下進行，燒結溫度為1450℃，保溫時間90分鐘，燒結爐內壓力為6MPa。本實施例制備的超粗晶WC-Co硬質合金產品粒度及晶相采用與實施例1相同的方法進行分析，且具有相似效果，在此不做說明。實施例1至4制備的超粗晶WC-Co硬質合金的產品性能采用金相顯微結構對實施例1至4制備的超粗晶WC-Co硬質合金的形貌進行觀測，其結果如下表1所示：表1超粗晶WC-Co硬質合金晶相組織結構形貌實施例A類B類孔洞(25-150um)C類平均粒度(μm)鈷相分布(μm)顯微石墨或η11A02B00無C006.42E002A02B00無C006.01E003A02B00無C006.23E004A02B00無C005.72E00由表1實施例1至4制備的超粗晶WC-Co硬質合金晶相組織結構形貌可以看出，采用本發明方法及原料制備的超粗晶WC-Co硬質采合金組織結構均勻，WC硬質相平均晶粒度尺寸粗大、晶粒分布窄、產品孔隙度小、致密度好，且平均粒度為6.0μm左右，達到超粗硬質合金的粒度要求。對實施例1至4制備的超粗晶WC-Co硬質合金的性能進行測試，其結果如下表2所示：表2超粗晶WC-Co硬質合金的性能測試結果由表2實施例1至4制備的超粗晶WC-Co硬質合金性能測試結果可以看出，采用本發明制備方法及原料制備出的超粗晶WC-Co硬質合金其抗彎強度能達到2590～2850N/mm2，矯頑磁力為5.2～5.6kA/m，硬度達到108HRA左右，鈷磁達到6.1％以上，說明本發明方法制備的超粗晶WC-Co硬質合金在滿足粒度的前提上，也能達到良好的性能。對比例為了研究說明本發明在硬質合金原料中加入的鎢粉及碳黑對硬質合金產品粒度及性能上的影響，采用與本發明制備步驟一樣的方法對硬質合金進行制備，只是在其中不加入鎢粉和碳黑，研究其作為原料加入對產品硬質合金粒度及性能的影響。沒有加入本發明鎢粉及碳黑制備的硬質合金的粒度及性能如下表3所示：表3鎢粉及碳黑添加方式對制備的超粗晶WC-Co硬質合金的粒度及性能測試結果從表3的數據可以看出，鎢粉的加入對硬質合金的平均粒度有影響，當不加入鎢粉時，制備的硬質合金產品平均粒度只能達到5.4μm，但加入鎢粉其粒度能達到6.0μm，滿足超粗晶對粒度的要求，但從整理上來說，鎢粉的加入對粒度的影響不大，而碳黑幾乎對硬質合金的粒度沒有影響。從硬質合金產品性能上來說，當不加鎢粉和碳黑或者只加鎢粉或碳黑中的一種時，其制備的硬質合金的抗彎強度最高只能達到1890N/mm2，明顯比實施例1至4加入鎢粉及碳黑制備的硬質合金的抗彎強度低得多，說明本發明加入的鎢粉及碳黑能有效提高產品的抗彎強度，降低合金的脆性，提高其抗沖擊力。同時，當不加鎢粉和碳黑或者只加鎢粉或碳黑中的一種時，其制備的硬質合金的鈷磁數據只能達到4.5％左右，明顯低于實施例1至4加入鎢粉及碳黑制備的硬質合金的鈷磁數據，說明本發明原料中加入的鎢粉及碳黑能對平衡其中的碳量起到顯著作用，提高合金的鈷磁性能。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3