[發明專利]一種超細晶硬質合金晶粒細化及尺寸分布均勻化的方法

有效

• 申請號: 201610211663.7
• 申請日: 2016-04-06
• 公開（公告）號: CN105624447B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 宋曉艷;劉興偉;王海濱;劉雪梅;謝麗杰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;C22C29/08
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及一種兼具晶粒細化和晶粒尺寸分布均勻化的超細晶WC-Co硬質合金的工業化制備方法，屬于硬質合金和粉末冶金技術領域。

背景技術

WC-Co硬質合金因其高的硬度和耐磨性在切削工具、模具、礦山工具及耐磨零部件等領域獲得了廣泛應用。伴隨著材料的更新換代，硬質合金的加工對象已逐漸變為難加工的高硬、高強合金，同時，隨著航空航天、微電子等高端工業領域的快速發展，對硬質合金的性能提出了更高的要求。超細晶硬質合金在硬度、耐磨性、強度等方面具有明顯的優勢，在切削加工領域充當著主力軍的角色。然而，工業化制備超細晶硬質合金時需在WC-Co粉末中加入晶粒長大抑制劑，添加較多的晶粒長大抑制劑會造成材料脆化、致密度降低等，嚴重影響材料的使用性能；而少量添加晶粒長大抑制劑通常難以有效抑制晶粒長大，特別是對于球磨處理粉末，粉末顆粒內部晶體缺陷密度較高，造成粉末形變儲存能較高，導致粉末在后續熱處理或燒結過程中，易于發生晶粒快速長大，甚至會導致晶粒異常長大，使得制備材料的顯微組織很不均勻。因此，改善用于燒結的初始粉末狀態、增加粉末粒度、性質的均勻性，對于工業規模化制備具有穩定高性能的超細晶硬質合金材料，具有非常重要的意義。

發明內容

本發明即是針對目前工業生產中的共性問題：經球磨過的超細或納米WC-Co粉末表面能和形變儲存能高、燒結過程易發生晶粒長大、造成硬質合金塊材中晶粒組織均勻性差、材料性能低等，提供一種獲得超細晶硬質合金晶粒尺寸分布均勻化的方法。其工藝流程和原理是：優選基于我們已有的授權專利技術(專利號為ZL200610165554.2)，以鎢氧化物、鈷氧化物和炭黑為原料，利用原位反應合成方法制備出WC-Co復合粉；在WC-Co復合粉中少量添加Cr₃C₂或Cr₃C₂和VC作為晶粒長大抑制劑；再將球磨混合后的粉末過濕篩，干燥后粉末在較低溫度下以氬氣和氫氣作為保護氣體進行長時間退火處理，后經壓制成型和低壓燒結制備硬質合金塊體材料。

本發明提供的控制超細晶WC-Co硬質合金晶粒尺寸分布均勻性的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)以鎢氧化物、鈷氧化物和炭黑為原料，利用原位反應合成方法制備出WC-Co復合粉，將晶粒長大抑制劑Cr₃C₂或Cr₃C₂和VC粉末添加至WC-Co復合粉末中進行球磨混合，其中Cr₃C₂粉末的添加量為復合粉末的0.5～1.0wt.％，VC粉末的添加量為復合粉末的0.2～0.4wt.％，加入吐溫-80作為分散劑，分散劑添加量為復合粉末的0.2～0.6wt.％；以無水乙醇為研磨介質，磨球與粉末質量比為3:1～10:1，研磨介質與物料體積比為1:1，球磨機轉速為100～300r/min，球磨時間為20～40小時；

(2)將球磨混合后的粉末連同球磨介質過500目篩網，濾掉粗大的團聚體顆粒。過篩后利用沉降法去除球磨介質中漂浮或懸浮的粉末，沉降時間為2～5min，烘干后得到WC、Co和晶粒長大抑制劑的混合粉末；將粉末置于管式爐中，在氬氣和5％氫氣保護下進行退火，溫度為500℃～700℃，保溫時間為3～7小時，隨后冷卻速率小于7℃/min。

(3)在步驟(2)退火后的粉末中摻入成型劑，將成型劑與粉末混合后模壓成型，成型劑加入量為每千克混合粉末中摻入80～100ml聚乙二醇和5～25ml擴散油。

(4)將模壓成型的粉末坯料進行低壓燒結，制備得到晶粒尺寸細小且尺寸分布均勻的超細晶WC-Co硬質合金塊體材料。

制備WC-Co復合粉末時優選采用已有的授權專利技術(專利號為ZL 200610165554.2)。

本發明針對球磨過的超細或納米WC-Co粉末表面能和形變儲存能高、燒結過程易發生晶粒長大、造成硬質合金塊材中晶粒組織均勻性差等問題，利用真空管式爐，以氬氣和氫氣作為保護氣體，對粉末在燒結前進行低溫長時間的熱處理，由此提高燒結硬質合金塊體顯微組織的均勻性。本方法結合對粉末進行高目數的過篩和長時間退火處理，提高超細/納米WC-Co粉末的粒度均勻性和熱穩定性，從而在燒結后獲得晶粒尺寸分布較窄、性能優良的硬質合金塊體材料。

與現有的其它方法相比，本發明方法具有如下本質性特點和優勢：