一种碳化钨基硬质合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及硬质合金材料技术领域，具体涉及一种碳化钨基硬质合金及其制备方法。

背景技术

碳化钨(WC)基硬质合金是最典型和最广泛的粉末冶金产品之一。由于其具有熔点高、反应性低、摩擦系数低、耐氧化性高、导热性好、硬度高、耐磨能力好、横向断裂强度高、断裂韧性强等诸多独特优点，被广泛应用于钻井、加工、汽车、航天等工业领域。

随着工业领域的迅速发展，人们对于更高性能的新型WC基硬质合金的需求也日益强烈。应用于高性能切削工具和耐磨零件的WC基硬质合金通常是通过添加钴(Co)金属结合剂来诱导WC中的液相烧结制造而成的。但Co是一种稀有资源，除了硬质合金领域对Co的迫切需要外，它也是生产耐热合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料，这使得Co资源的供给不断紧张化；而且Co对于人体和环境还会产生一定的危害。因此开发一种新型粘结剂替代Co对高性能WC基硬质合金具有十分重要的意义。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供一种碳化钨基硬质合金及其制备方法，以高熵合金粉末代替Co做粘结剂，同时向WC基体中添加Y

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种碳化钨基硬质合金的制备方法，包括以下步骤：制备WC-Y

在本发明一示例中，制备WC-Y

在本发明一示例中，所述WC-Y

在本发明一示例中，所述高熵合金粉末选自FeNiCrCoTi粉末、FeNiCrCoMo粉末、FeNiCrCoMn粉末中的任一种。

在本发明一示例中，所述球磨化处理包括：干磨处理和湿磨处理，即先在充满氩气的手套箱内将所述WC-Y

在本发明一示例中，所述干磨处理的转速为150～200r/min，球磨时间为24～30h，球料比为8:1～10:1；所述湿磨处理时酒精的加入量为50～60ml，球磨转速为150～200r/min，球磨时间为2～3h，球料比为8:1～10:1。

在本发明一示例中，对球磨后的粉末进行后处理包括：将球磨后的粉体搅拌均匀，并置于干燥箱内在150℃下干燥1440min；再对干燥后的粉末进行研磨和过筛处理得到WC-Y

在本发明一示例中，所述烧结处理包括：将后处理之后的粉末装入石墨模具中，利用液压机对粉末进行预压制；随后放入放电等离子烧结炉中，在室温下将炉腔抽至真空，然后升温至600℃，保温5min，保温过程中将炉压调制最高；再升温至1200～1350℃，保温5min，保温结束后降至室温，制得硬质合金复合材料。

在本发明一示例中，所述烧结处理时的预压力为20MPa，最高压力为50Mpa，烧结炉的升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。

在本发明一示例中，所述石墨模具的直径为20mm，采用碳毡保温。

在本发明一示例中，所述手套箱的型号为ZKX，所述行星式球磨机的型号为QM-QX4全方位行星式；所述干燥箱的型号为DHG-9070型电热恒温鼓风干燥箱；所述放电等离子烧结炉的型号为LABOX-350型放电等离子烧结炉，烧结炉的烧结记录软件为LABOX-350-Shortcut。

本发明另一方面提供一种采用本发明的制备方法制备的碳化钨基硬质合金。

在本发明的一示例中，碳化钨基硬质合金包括WC-Y

本发明以WC-Y

高熵合金选自FeNiCrCoTi、FeNiCrCoMo、FeNiCrCoMn粉末，由于Fe、Ni、Cr、Ti、Mo、Mn等元素与Co在元素周期表中的位置接近，利用Fe、Ni、Cr、Co等元素和Ti、Mo、Mn等元素进行组合生成的FeNiCrCoTi、FeNiCrCoMo、FeNiCrCoMn高熵合金更好的替代Co作为粘结剂。其中，FeNiCrCoTi作为粘合剂的效果最佳，且成本低、烧结粉末溶解溢出风险小、对模具损耗小，是一种能够较为理想的代替Co的粘结剂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明碳化钨基硬质合金的制备方法流程图；

图2为本发明WC-Y

图3为本发明WC-Y

图4为本发明WC-Y

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1，本发明提供一种碳化钨基硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备WC-Y

S2、将所述WC-Y

S3、对球磨化处理后的粉末进行后处理；

S4、将后处理后的粉末进行烧结制得WC基硬质合金。

具体的，步骤S1制备WC-Y

其中，WC-Y

步骤S2将WC-Y

球磨化处理包括干磨处理和湿磨处理，即在充满氩气的手套箱内将WC-Y

步骤S3、对球磨后的粉体进行后处理包括脱水、研磨和过筛处理，即将球磨后的粉体倒入烧杯中搅拌使其分散开，然后置于鼓风干燥箱中，在150℃下干燥1440min进行脱水处理；之后再将脱水后的粉体进行研磨并过筛处理得到WC-Y

步骤S4将后处理之后的WC-Y

下面通过具体的实施例及对比例对本发明进行详述。以下实施例中使用的化学原料均可通过一般的商业途径获得。

实施例1

本实施例中的硬质合金为WC-Y

本实施例中WC-Y

1、WC-Y

2、干湿球磨化：将步骤1制得的基体粉末与FeNiCrCoTi粉按照设计组分通过充满氩气的真空手套箱加入球磨罐中进行封装，其中球料比为8:1，随后置于行星式球磨机中进行干磨处理30h，干磨转速为150r/min；再将干磨得到的粉末中加入50ml的酒精在氩气气氛下进行封装，随后进行湿磨处理2h，设置转速为150r/min。

3、粉末后处理：将得到的干湿球磨化粉体进行搅拌分散后置于鼓风干燥箱中进行脱水处理，设置脱水温度为150℃，干燥时间为1440min；再将脱水后的粉末进行研磨和过筛处理得到WC-Y

4、放电等离子烧结：将得到的WC-Y

烧结后WC-Y

实施例2

本实施例中的硬质合金为WC-Y

本实施例中WC-Y

1、WC-Y

2、干湿球磨化：将步骤1制得的基体粉末与FeNiCrCoMo粉按照设计组分通过充满氩气的真空手套箱加入球磨罐中进行封装，其中球料比为8:1，随后置于行星式球磨机中进行干磨处理30h，干磨转速为150r/min；再将干磨得到的粉末中加入50ml的酒精在氩气气氛下进行封装，随后进行湿磨处理2h，设置转速为150r/min。

3、粉末后处理：将得到的干湿球磨化粉体进行搅拌分散后置于鼓风干燥箱中进行脱水处理，设置脱水温度为150℃，干燥时间为1440min；再将脱水后的粉末进行研磨和过筛处理得到WC-Y

4、放电等离子烧结：将得到的WC-Y

烧结后WC-Y

实施例3

本实施例中的硬质合金为WC-Y

本实施例中WC-Y

1、WC-Y

2、干湿球磨化：将步骤1制得的基体粉末与FeNiCrCoMn粉按照设计组分通过充满氩气的真空手套箱加入球磨罐中进行封装，其中球料比为8:1，随后置于行星式球磨机中进行干磨处理30h，干磨转速为150r/min；再将干磨得到的粉末中加入50ml的酒精在氩气气氛下进行封装，随后进行湿磨处理2h，设置转速为150r/min。

3、粉末后处理：将得到的干湿球磨化粉体进行搅拌分散后置于鼓风干燥箱中进行脱水处理，设置脱水温度为150℃，干燥时间为1440min；再将脱水后的粉末进行研磨和过筛处理得到WC-Y

4、放电等离子烧结：将得到的WC-Y

烧结后WC-Y

对比例1

本实施例中的硬质合金为WC-Y

本实施例中WC-Y

1、WC-Y

2、干湿球磨化：将步骤1制得的基体粉末与商业Co粉按照设计组分通过充满氩气的真空手套箱加入球磨罐中进行封装，其中球料比为8:1，随后置于行星式球磨机中进行干磨处理30h，干磨转速为150r/min；再将干磨得到的粉末中加入50ml的酒精在氩气气氛下进行封装，随后进行湿磨处理2h，设置转速为150r/min。

3、粉末后处理：将得到的干湿球磨化粉体进行搅拌分散后置于鼓风干燥箱中进行脱水处理，设置脱水温度为150℃，干燥时间为1440min；再将脱水后的粉末进行研磨和过筛处理得到WC-Y

4、放电等离子烧结：将得到的WC-Y

烧结后WC-Y

对比例2

本实施例中的硬质合金为WC-FeNiCrCoTi，其中，FeNiCrCoTi 10wt％、WC基体为90wt％。

本实施例中WC-FeNiCrCoTi硬质合金的制备过程如下：

1、干湿球磨化：将商业WC粉末与FeNiCrCoTi粉按照设计组分通过充满氩气的真空手套箱加入球磨罐中进行封装，其中球料比为8:1，随后置于行星式球磨机中进行干磨处理30h，干磨转速为150r/min；再将干磨得到的粉末中加入50ml的酒精在氩气气氛下进行封装，随后进行湿磨处理2h，设置转速为150r/min。

2、粉末后处理：将得到的干湿球磨化粉体进行搅拌分散后置于鼓风干燥箱中进行脱水处理，设置脱水温度为150℃，干燥时间为1440min；再将脱水后的粉末进行研磨和过筛处理得到WC-FeNiCrCoTi粉体。

3、放电等离子烧结：将得到的WC-FeNiCrCoTi粉体装入石墨模具，利用液压机对粉末进行预压制，随后放入放电等离子烧结炉中，在室温下将炉腔抽真空，设置预压为20MPa，然后以100℃/min升温至600℃并保温5min，在9-11min内加压至50MPa以排出残余空气，再100℃/min升温至1250℃并保温5min，保温结束后降至室温，采用LABOX-350-Shortcut软件进行监测，即得到WC-FeNiCrCoTi硬质合金复合材料。

烧结后WC-FeNiCrCoTi硬质合金复合材料的维氏硬度为1635.46HV，断裂韧性为8.71MPa·m

表1为实施例1-3和对比例1-2各样品的性能

表1中的试验结果显示采用新型WC基体和新型粘结剂形成的WC-Y

请参阅图2至图4，图2和图3是WC-Y

本发明以WC-Y

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。