[發(fā)明專利]一種表面富鈷的超細晶梯度硬質(zhì)合金及其制備方法

有效

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• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103741000A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設計）人: 王凱;周向葵;王強;許智峰;劉鐵;赫冀成
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C22C29/08
• 分類號: C22C29/08;C22C1/10
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

????本發(fā)明屬于硬質(zhì)合金制造領域，具體涉及一種表面富鈷的超細晶梯度硬質(zhì)合金及其制備方法。

背景技術

硬質(zhì)合金由于具有較高的強度和硬度，耐磨性較好等優(yōu)點，主要被用來制作刀具，廣泛應用在切削加工領域。近年來，隨著材料科學的發(fā)展，越來越多的難加工材料開始得到許多應用，因此對加工材料所用的硬質(zhì)合金刀具的性能提出了越來越高的要求，并且隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，要求硬質(zhì)合金刀具適合高速連續(xù)切削等，這就要求硬質(zhì)合金刀具既要有良好的耐磨性能，又要有較好的韌性和耐沖擊性能，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金在耐磨性能、強度和韌性方面都難以滿足要求。根據(jù)霍爾佩奇公式，晶粒越小，材料的強度越大，因此通過細化晶粒，提高硬質(zhì)合金強度，制備出具有超細晶的硬質(zhì)合金是未來的主要發(fā)展方向。對于韌性和耐磨性要求很高的應用中，具有納米或微米級晶粒的硬質(zhì)合金具有更高的強度，可以更好的滿足實際要求。

為了進一步提高硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，目前應用的硬質(zhì)合金刀具通常都需要采用化學氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）在其表面鍍上一層或多層耐磨涂層，如TiN、Al₂O₃等。由于這種涂層技術的溫度一般都在800℃以上，涂層和基體之間由于熱膨脹系數(shù)的不同，在冷卻過程中，涂層和基體之間會產(chǎn)生一定的熱應力，進而會出現(xiàn)一些微裂紋，在刀具的切削使用過程中，這些微裂紋會向基體內(nèi)部擴展，導致刀具耐磨性能降低和崩刃失效，這就要求基體具有較高的韌性。另外為了提高涂層和基體之間的結合強度，還要求涂層和基體之間具有較好的濕潤性。為了解決這一問題，可以采用表面富鈷的具有較高韌性的硬質(zhì)合金基體，通常稱為表面富鈷梯度硬質(zhì)合金。由于這種表面富鈷的梯度涂層硬質(zhì)合金基體表面韌性較高，可以吸收裂紋擴展的能量，減緩裂紋向基體中的擴展，表面富鈷層和涂層之間的良好濕潤性，從而提高和延長硬質(zhì)合金的性能和使用壽命。

目前制造這種梯度硬質(zhì)合金的技術被稱作梯度燒結，如美國專利4277283和4610931，采用含氮的添加劑在真空中燒結，而美國專利4548786則向氣體相中添加氮，這兩種情況都獲得了基本不含有立方相的表面富粘結相區(qū)。美國專利4830930則通過在燒結之后進行脫碳獲得表面富粘結相區(qū)。這些燒結工藝均采用兩步燒結法（預燒結和梯度燒結分兩步完成），燒結氣氛為無氮真空。兩步燒結法制備梯度硬質(zhì)合金中WC晶粒尺寸較大，性能較低，另外增加了生產(chǎn)成本，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

?發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種表面富鈷的超細晶梯度硬質(zhì)合金及其制備方法，通過采用一步燒結法，縮短生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，通過在液相燒結保溫階段充入一定壓力的惰性氣體，抑制WC晶粒的長大，在細化硬質(zhì)合金WC晶粒的基礎上，制備出一種具有表面富鈷梯度層的超細晶梯度硬質(zhì)合金基體。

本發(fā)明的表面富鈷的超細晶梯度硬質(zhì)合金，其成分按質(zhì)量百分比為：2-6%Ti(C,N)、6-15%Co、0-0.5%VC、0.2-0.8%Cr₃C₂和0-0.5%炭黑，余量為WC，其金相組織是以WC和立方相碳氮化物為芯部硬質(zhì)相，以鈷為粘結相形成10~40μm厚的表面富鈷的梯度層，其中硬質(zhì)相和梯度層中WC晶粒的平均尺寸為0.2?-0.4μm，表面富鈷的梯度層中的鈷含量為硬質(zhì)合金標稱鈷含量的1.2-2倍，表面富鈷的梯度層中不含有立方相碳氮化物。

本發(fā)明的表面富鈷的超細晶梯度硬質(zhì)合金的制備方法按照以下步驟進行：

（1）采用添加碳氮化物的硬質(zhì)合金原料進行配料，其成分按質(zhì)量百分比為：2-6%Ti(C,N)、6-15%Co、0-0.5%VC、0.2-0.8%Cr₃C₂和0-0.5%炭黑，余量為WC；

（2）將上述原料混合后加入濕式球磨機中濕磨，將濕磨后的混合料漿靜置8~12h，然后放入真空干燥箱內(nèi)于60~90℃保溫1~2h，干燥后用40目篩網(wǎng)過篩，將過篩后的粉料用壓機和模具壓制成料坯，壓力為5~20噸，保壓時間為5~30s；

（3）將料坯置于真空爐中，將真空爐抽真空到10Pa以下開始升溫，升溫至400~600℃并保溫1~6h，同時通入氫氣，進行脫蠟、脫氧，之后排空爐腔內(nèi)的氫氣繼續(xù)升溫，在達到液相燒結溫度之前充入壓力5~10MPa的惰性氣體，液相燒結溫度為1350~1500℃，在惰性氣體壓力下保溫0.1~2h，保溫結束后隨爐冷卻至室溫，得到表面富鈷的超細晶梯度硬質(zhì)合金。