一种含铼、锆的硬质合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及硬质合金材料技术领域，具体涉及一种含铼、锆的硬质合金材料及其制备方法。

背景技术

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料；具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。航空航天是国家的科技高端制造核心行业，随着该行业关键零部件性能及结构的不断改进和提高，硬质合金的需求及应用也越来越多。硬质合金在加工时会产生极高的切削热，热量不能随切屑排出或被工件吸收，而是聚集在切削刃上，若刀具没有很好的高温性能、抗高温氧化性能，将大大缩短使用寿命。因此，研发具有优异的高温性能、抗氧化性能的硬质合金制品，已成为各硬质合金生产企业一致发展的方向。

发明内容

本发明意在提供一种含铼、锆的硬质合金材料及其制备方法，以保证硬质合金材料的高温性能和抗氧化性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种含铼、锆的硬质合金材料，包括如下质量份的原料：Co 7份、WC 81-82份、CK 10份、Re 0.5-1份、ZrC 0.5-1份。

优选的，作为一种改进，Re的费氏粒度≤1.0μm；ZrC的费氏粒度≤1.0μm。

本技术方案中，加入的Re经烧结后，以固溶体(Co,Re,W)C的形式存在于β相中和WC/Co相界面。由于原子半径较大的Re的嵌入，会导致晶格畸变，能加快Co立方晶型向六方晶型的多晶转化，可在硬质合金粘结相中生产弥散亚结构，阻碍位错的运动，从而提高粘结相显微硬度，提高合金的临界断裂应力，改善合金力学性能(提高合金的抗弯强度和洛氏硬度)。通过研究表明：Re的添加使合金的粒度得到了轻微细化，同时也避免了异常长大的WC晶粒在失效过程的穿晶断裂，从而同时提升了合金的抗弯强度和硬度，且随着Re粒度的降低，提高的效果越明显，对应合金的断裂韧性值越大。

ZrC粒度越小，金属粉末在物料中分布越均匀，其性能得以更好的体现。粒度偏粗，会在合金制品中形成硬脆相，影响合金材料韧性以及刀具使用寿命。

优选的，作为一种改进，Co的费氏粒度＜1.5μm；WC的费氏粒度为0.9-3.2μm；CK的费氏粒度＜1.5μm。

优选的，作为一种改进，一种含铼、锆的硬质合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将Co、WC、CK、Re、ZrC混合，向混合原料内加入成型剂和球磨介质并球磨混合；

步骤二、压制成型得压坯；

步骤三、将压坯进行烧结，得到硬质合金材料制品。

优选的，作为一种改进，步骤一中，成型剂为石蜡，石蜡的添加量为混合原料质量的1.5-3％。

优选的，作为一种改进，步骤一中，球磨介质为己烷，己烷的添加量为300ml/kg。

优选的，作为一种改进，步骤一中，球磨混合时间为36h。

优选的，作为一种改进，步骤二中，成型压力＞0.8t/cm

优选的，作为一种改进，步骤三中，烧结温度为1440-1460℃，烧结时间90min。

本技术方案中，烧结条件对硬质合金的性能及刀具的使用寿命具有关键影响。烧结温度过低、烧结时间短，会导致制品欠烧，收缩不完全，各元素之间未完全液相固溶。将导致制品强度、硬度、断裂韧性等大幅下降，制品也可能出现孔洞，刀具使用寿命呈断崖式下跌。

烧结温度过高、烧结时间长，会导致制品过烧，碳化钨在钴中的溶解析出再结晶加剧，导致碳化钨晶粒长大，矫顽磁力降低、硬度随之下降。制品表面易出现鼓泡、内部也可能出现孔洞。同样将导致制品强度、硬度、断裂韧性等大幅下降，刀具使用寿命呈断崖式下跌。

本方案的原理及优点是：

本技术方案中，针对现有技术中刀具的寿命问题，对其主要的失效形式进行分析，主要为刀尖塌尖，涂层易脱落。通过对刀具失效原因进行反向分析发现：主要是因为刀具基体高温性能、抗高温氧化性能不佳导致。基于此，发明人对硬质合金材料进行优化，通过在原料中引入领域内不常用的元素-Re、Zr，通过Re的添加能够加快Co立方晶型向六方晶型的多晶转化，两者协同达到提高合金的临界断裂应力，改善合金力学性能的效果。通过对Re、Zr费氏粒度进行优化，能够避免在合金制品中形成硬脆相，影响合金材料韧性以及刀具使用寿命。通过对本方案的整体优化，获得了如下的技术优势：

1、本技术方案中添加的ZrC为高熔点金属，熔点达3540℃，较硬质合金中主相碳化钨熔点2870℃更高，添加后能有效改善硬质合金制品高温性能。

2、本技术方案中添加的Re为高熔点金属，熔点达3180℃，其能与合金中的粘结相钴形成固溶，提高粘结相熔点，添加后能有效改善硬质合金制品高温性能。

3、本技术方案中硬质合金中主相碳化钨抗高温氧化能力差，本配方中添加的ZrC具有较好抗高温氧化能力，添加后能有效改善硬质合金制品抗高温氧化性能。

4、本技术方案中添加的Re与合金中的粘结相钴形成固溶，提高粘结相强度，提升硬质合金制品断裂韧性(Kic)。

5、本技术方案生产的硬质合金制品，有优异的高温性能、抗氧化性能，适用于镍基合金、钛合金等难加工材料的加工。

附图说明

图1为本发明实例1的金相图片。

图2为本发明实例2的金相图片。

图3为本发明实例3的金相图片。

图4为本发明实例4的金相图片。

图5为本发明实例5的金相图片。

图6为本发明实例6的金相图片。

图7为本发明实例7的金相图片。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，下述实施方式所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；所用的实验方法均为常规方法；所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。

方案总述：

一种含铼、锆的硬质合金材料，包括如下质量份的原料：Co 7份、WC 81-82份、CK10份、Re 0.5-1份、ZrC 0.5-1份。

其中，Co(钴)的费氏粒度＜1.5μm；WC(碳化钨)的费氏粒度为0.9-3.2μm；CK(钛钢)的费氏粒度＜1.5μm；Re(铼)的费氏粒度≤1.0μm；ZrC(碳化锆)的费氏粒度≤1.0μm。

一种含铼、锆的硬质合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将原料按比例混合后，加入1.5-3％的成型剂石蜡和300ml/kg的球磨介质己烷，球磨混合36h；

步骤二、球磨后压制成型得压坯，成型压力＞0.8t/cm

步骤三、将步骤二所得压坯置于烧结炉内进行烧结，烧结温度为1440-1460℃，烧结时间90min，烧结后即得硬质合金材料制品。

实验例一力学性能测试

表1为本发明的实例，各实例之间的差异仅在于原料的添加量及原料的费氏粒度，具体实验设计详见下表。

表1

对上述各实例进行性能指标检测，检测指标包括硬度、抗弯强度、断裂韧性及加工时长。其中，洛氏硬度参照GB/T 230.1-2018金属材料洛氏硬度测试方法进行检测；抗弯强度参照GB/T 3851-2015硬质合金横向断裂强度测定方法进行检测；断裂韧性参照JB/T12616-2016硬质合金刀具基体材料断裂韧性检测方法进行检测；加工时长的检测为现场加工数据汇总，检测刀具均采用同样的加工参数，相同材质、性能的被加工材料。

检测结果如表2所示，表2数据表明：实例1-实例3中未添加Re和ZrC，或仅添加两者之一，其抗弯强度明显下降，且断裂韧性、硬度均不同程度变劣，并且严重影响其使用寿命；实例4及实例5中均添加Re和Zr，且两者的费氏粒度均在本申请要求范围内，其硬度、抗弯强度及断裂韧性均处于较高水平，且刀具使用寿命均显著高于其他处理组；实例6中，Re的费氏粒度过大，导致使用寿命缩短；实例7中，ZrC的费氏粒度过大，导致使用寿命缩短，且抗弯强度显著下降。

表2

实验例二金相显微组织

对上述各实施例及对比例制备得到的合金材料进行金相结构显微观察，结果如图1-7所示，本发明制备得到的合金材料无分层和裂纹，且WC相平均粒度为0.9-1.2μ，Co、Ni相平均粒度为0.2-1.0μ。

实验例三切削刀具应用测试

被加工零件材料0Cr17Ni4Cu4Nb；刀具名称：仿型铣刀，刀体型号：φ40R6 4齿；切削参数如表3所示。

表3

测试结果如表4所示：

表4

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。