一種雙晶梯度硬質(zhì)合金刀具材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于硬質(zhì)合金制造領(lǐng)域，特別是一種雙晶梯度硬質(zhì)合金刀具材料及其制備方法。本發(fā)明采用碳化鎢、碳化鈦、鈷、碳化釩、碳化鉻、聚乙烯吡咯烷酮為原料，梯度層包括對稱的5層，每層均含有粗晶碳化鎢和細晶碳化鎢，自表及里，粗晶碳化鎢和細晶碳化鎢比例增大，碳化鈦比例減小，粘結(jié)相比例增大。制備方法包括：混合料球磨→干燥過篩→壓制成型→真空熱壓燒結(jié)。本發(fā)明制備方法設(shè)備投資小，方便操作，材料利用率高，適于工業(yè)化生產(chǎn)；所制備產(chǎn)品具有滿足“雙高”(高耐磨性、高韌性)要求的表面，尤其適用于金屬的斷續(xù)車削和銑削。
【專利說明】
一種雙晶梯度硬質(zhì)合金刀具材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于硬質(zhì)合金制造領(lǐng)域，特別涉及一種滿足“雙高”(高耐磨性、高韌性)的雙晶梯度硬質(zhì)合金刀具材料及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]由于在均勾硬質(zhì)合金中，硬質(zhì)相對合金的硬度與耐磨性起重要作用，粘結(jié)相對合金的強韌性產(chǎn)生重要影響。由于組成硬質(zhì)合金的這兩種相產(chǎn)生的作用不同，使得均勻結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金成為一個矛盾體。一般而言，粘結(jié)相含量較高、硬質(zhì)相含量較低的合金硬度低而韌性高;硬質(zhì)相含量較高、粘結(jié)相含量較低的合金硬度高而韌性差。均勻結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的這種矛盾特性制約了其應(yīng)用領(lǐng)域的進一步擴大，難以滿足現(xiàn)代社會發(fā)展對硬質(zhì)合金提出的“雙高”(高硬度，高韌性)要求。
[0003]梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金克服了均勻結(jié)構(gòu)材料的不足，其特性是在一個構(gòu)件中引人顯微組織與成分的逐漸變化，以使其滿足該部件在不同位置上不同的性能要求，最終使該部件整體上獲得最佳效果。粗晶粒WC具有結(jié)構(gòu)完整、缺陷少、微觀應(yīng)變小、亞晶粗大均勻等優(yōu)點， 能顯著提高硬質(zhì)合金的韌性，在粗晶粒WC-Co合金中加入適量細顆粒WC，合金的耐磨性和韌性同時得到增加。此外，由于WC晶粒的非均勻性，減少或者減小了作為主要裂紋源的空隙的數(shù)目和尺寸，提高了合金的斷裂強度，使非均勻組織WC-Co合金具有強化現(xiàn)象。
[0004]目前，國內(nèi)外硬質(zhì)合金界都對梯度硬質(zhì)合金的研究和開發(fā)給予了較大的關(guān)注并已嘗試采用多種方法來制備梯度硬質(zhì)合金材料，文獻(A new approach for the preparat1n of funct1nally graded materials via slip casting in a gradient magnetic field,Peng X，Yan M，Shi W，Scripta 11^161^8118,2007,56(10):907-909.^? 道了一種采用固相燒結(jié)法制備梯度硬質(zhì)合金材料的方法，但為消除燒結(jié)體中的殘余孔隙， 一般都要進行后續(xù)的熱等靜壓處理，工藝復(fù)雜。文獻(功能梯度材料基礎(chǔ)一制備及熱機械行為，511代8113，]\1〇1^6118611六，李守新譯，北京:國防工業(yè)出版社2000:12-69.)報道了一種采用熔滲法制備梯度硬質(zhì)合金材料的方法，但是需先制備出含有一定數(shù)量、尺寸孔隙的多孔還塊。文南犬(Format1n mechanism of cobalt-gradient structure in WC-Co hard alloy,Liu Y,ffang H,Yang J,et al.Journal of materials science,2004,39(13): 4397-4399.)報道了一種采用氣氛燒結(jié)法制備梯度硬質(zhì)合金材料的方法，但是需先制備偏離正常含碳量的硬質(zhì)合金坯塊。而無壓燒結(jié)則需需將粉末與成型劑混合、壓制成壓塊才可進行燒結(jié)。由于要加入成型劑，在脫除成型劑時，高溫下的真空環(huán)境使有機成型劑分解產(chǎn)生游離C，滲入材料內(nèi)部會造成WC及Co滲碳;同時真空還會引起粘結(jié)金屬Co的蒸發(fā)。
[0005]熱壓燒結(jié)具有設(shè)備投資較小、易操作、燒結(jié)溫度低和保溫時間短等特點，而且試樣不用添加成型劑，減少了雜質(zhì)的引入。文獻(Synthesis, sintering, and mechanical properties of nanocrystalline cemented tungsten carbide-a review,Fang Z Z, Wang X,Ryu T,et al.1nternat1nal Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2009，27(2): 288-299.)報道了燒結(jié)時外加壓力可以促進材料致密化，文獻(Study on the mechanical properties，microstructure and corros1n behav1rs of nan〇-ffC-C〇-N1-Fe hard materials through HIP and hot-press sintering processes，Chang S H,Chang P Y.Materials Science and Engineering:A，2014,618: 56-62.)報道了熱壓燒結(jié)可以有效阻止晶粒長大D
[0006]此外目前研究制備的梯度硬質(zhì)合金主要分為兩類，即表面富含立方相梯度硬質(zhì)合金和表面富含粘結(jié)相硬質(zhì)合金。文獻(The influence of sintering in nitrogen gas on the microstructure of a WC-VC-TiC-Co cemented carbide，Hashe N G，Neethling J H,Andren H 0，et al，Internat1nal Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2008,26(5):404-410.)報道了一種表面富含立方相的梯度硬質(zhì)合金表面耐磨性好，但表面韌性差；文獻(Advances in modern nitrogen-containing hardmetals and cermets[J].Chen L,Lengauer ff,Dreyer K.1nt J Refract Met Hard Mater，2000，18 (2):153-161.)報道了一種表面富含粘結(jié)相的硬質(zhì)合金，表面韌性好，但表面耐磨性差，往往需要在表面涂硬質(zhì)層。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種滿足“雙高”(高耐磨性、高韌性)的梯度硬質(zhì)合金刀具材料，并且提供一種工藝簡便、適合工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法。
[0008]本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的。
[0009]—種梯度硬質(zhì)合金刀具材料，其特征是:梯度層包括對稱的5層，每層均含有粗晶碳化鎢和細晶碳化鎢，自表及里，粗晶碳化鎢和細晶碳化鎢比例增大，碳化鈦比例減小，粘結(jié)相比例增大;表層按36.6粗晶WC-43.9細晶WC-13.5TiC-6Co+0.6VC-0.4Cr3C2_2PVP質(zhì)量配比，過渡層按41粗晶WC-41細晶WC-8TiC-10Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配比，芯層按47 ? 8 粗晶WC-31.9細晶WC-5.3TiC-15Co+0.6VC-0.4Cr3C2_2PVP質(zhì)量配比。TiC組元對材料形成固溶強化改善材料的機械性能，此外TiC的硬度高于WC，它的加入提高了合金的硬度及耐磨性;材料中摻雜一定比例的VC及〇3&阻止晶粒長大。
[0010]上述梯度硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法，其特征是包括以下步驟:[〇〇11](1)混合料球磨
[0012]表層按 36 ? 6 粗晶 WC-43 ? 9 細晶 WC-13 ? 5TiC-6Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，過渡層按41粗晶WC-41細晶WC-8TiC-10Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配比混合，芯層按 47 ? 8 粗晶 WC-31 ? 9 細晶 WC-5 ? 3TiC-15Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合；先將細晶 WC、 T i C、Co、VC、Cr 3C2、PVP放入球磨筒，按8:1的球料比加入磨球，按20 0m 1:1 kg的無水乙醇料比加入無水乙醇，球磨24h后，再加入粗晶WC，繼續(xù)球磨24h;分別制得表層、過渡層、芯層三種粉末無水乙醇混合液；
[0013]⑵干燥過篩[〇〇14]將步驟(1)制得的三種粉末無水乙醇混合液分別放入真空干燥箱，保持溫度116°C 干燥6小時，隨箱冷卻至室溫、過篩，得到表層混合粉料、過渡層混合粉料、芯層混合粉料；
[0015]⑶壓制成型
[0016]根據(jù)模具大小及梯度層厚度計算出各梯度層粉末重量，依次將表層混合粉料放入模具、鋪平、壓制，在表層壓制混合料上放過渡層混合粉料鋪平、壓制，在過渡層壓制混合料上放芯層混合粉料鋪平、壓制，在芯層壓制混合料上放過渡層混合粉料、鋪平、壓制，在過渡層壓制混合料上放表層混合粉料鋪平、壓制，將5層梯度粉體在千斤頂上壓制；
[0017](4)真空燒結(jié)
[0018]將步驟(3)制得的壓坯及模具一起放入熱壓爐中，熱壓爐真空度保持在10Pa以下， 按40°C/min升溫至1200°C;隨后按20°C/min緩慢升溫至1350-1450°C，保溫15-90min，然后按8°C/min降溫至1200°C，然后隨爐冷卻；在室溫至1200°C期間，壓力保持5MPa，1200-1350 ?145〇°C 壓力保持 l5MPa，l35〇 ?145〇-l2〇0°C 壓力保持 3〇MPa。
[0019]以上至燒結(jié)程序運行結(jié)束，即可獲得雙晶功能梯度硬質(zhì)合金。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0021](1)從生產(chǎn)技術(shù)上提供了一種可工業(yè)化生產(chǎn)雙晶功能梯度硬質(zhì)合金的技術(shù)。
[0022](2)所用設(shè)備簡單投資小，方便操作，而且試樣制備過程不需要添加成型劑，即能生產(chǎn)出功能梯度硬質(zhì)合金，適于工業(yè)化生產(chǎn)。[〇〇23](3)可通過分層鋪疊層質(zhì)量、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、保溫時間等工藝參數(shù)控制梯度層的厚度。
[0024](4)制備過程燒結(jié)時間短，燒結(jié)溫度低，有效阻止晶粒長大。
[0025](5)所制備的雙晶功能梯度硬質(zhì)合金具有滿足“雙高”要求的表層，是在最低限度降低材料韌性的條件下最大限度提高材料耐磨性。
[0026](6)生產(chǎn)出的功能梯度硬質(zhì)合金材料梯度層為對稱的5層，因此具有對稱的材料機械性能，相對非對稱結(jié)構(gòu)，材料利用率加倍?！揪唧w實施方式】
[0027]下面給出本發(fā)明的四個最佳實施例。[〇〇28] 實施例1
[0029](1)以3ym及0 ? 95ym碳化媽(WC)、400nm碳化欽(TiC)、1 ? 26ym鈷(Co)、200nm碳化?凡 (VC)、lwii碳化鉻(Cr3C2)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為原料，表層按43細晶9WC-13.5TiC-6Co+ 0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，過渡層按 41 細晶 WC-8TiC-10Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，芯層按31.9細晶WC-5.3TiC-15Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配比混合，按8: 1的球料比加入磨球，按200ml:1kg的無水乙醇料比加入無水乙醇，球磨24h后，表層加入 36.6粗晶WC，過渡層加入41粗晶WC，芯層加入47.8粗晶WC，繼續(xù)球磨24h;
[0030](2)將混合粉末無水乙醇混合液放入真空干燥箱，保持溫度116°C干燥6小時，隨箱冷卻至室溫，過篩；[0031 ](3)將一定量表層混合粉料放入模具，鋪平，手動壓制，在表層壓制混合料上放一定量過渡層混合粉料，鋪平，手動壓制，在過渡層壓制混合料上放一定量芯層混合粉料，鋪平，手動壓制，在芯層壓制混合料上放一定量過渡層混合粉料，鋪平，手動壓制，在過渡層壓制混合料上放一定量表層混合粉料，鋪平，手動壓制，將5層梯度粉體在千斤頂上壓制。 [〇〇32](4)將試樣及模具放入真空熱壓爐內(nèi)，真空度保持在10Pa以下按40°C/min升溫至1200°C ;隨后按20°C/min緩慢升溫至1350°C，保溫60min，然后按8°C/min降溫至1200°C，然后隨爐冷卻；在室溫至1200°C期間，壓力保持5MPa，1200-1350°C，壓力保持15MPa，1350-1200 °C保持30MPa。至燒結(jié)程序運行結(jié)束，即可獲得每層大約為1.05mm的雙晶功能梯度硬質(zhì)合金。
[0033]實施例2
[0034](1)以3ym及0 ? 95ym碳化媽(WC)、400nm碳化欽(TiC)、1 ? 26ym鈷(Co)、200nm碳化?凡 (VC)、lwii碳化鉻(Cr3C2)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為原料，表層按43 ? 9細晶WC-13 ? 5TiC-6Co+ 0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，過渡層按 41 細晶 WC-8TiC-10Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，芯層按31.9細晶WC-5.3TiC-15Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配比混合，按8: 1的球料比加入磨球，按200ml:1kg的無水乙醇料比加入無水乙醇，球磨24h后，表層加入 36.6粗晶WC，過渡層加入41粗晶WC，芯層加入粗晶47.8WC，繼續(xù)球磨24h;[〇〇35](2)將混合粉末無水乙醇混合液放入真空干燥箱，保持溫度116°C干燥6小時，隨箱冷卻至室溫，過篩；
[0036](3)將一定量表層混合粉料放入模具，鋪平，手動壓制，在表層壓制混合料上放一定量過渡層混合粉料，鋪平，手動壓制，在過渡層壓制混合料上放一定量芯層混合粉料，鋪平，手動壓制，在芯層壓制混合料上放一定量過渡層混合粉料，鋪平，手動壓制，在過渡層壓制混合料上放一定量表層混合粉料，鋪平，手動壓制，將5層梯度粉體在千斤頂上壓制。 [〇〇37](4)將試樣及模具放入真空熱壓爐內(nèi)，真空度保持在10Pa以下按40°C/min升溫至1200°C ;隨后按20°C/min緩慢升溫至1375°C，保溫45min，然后按8°C/min降溫至1200°C，然后隨爐冷卻；在室溫至1200°C期間，壓力保持5MPa，1200-1375°C，壓力保持15MPa，1375-1200 °C保持30MPa。至燒結(jié)程序運行結(jié)束，即可獲得每層大約為1.05mm的雙晶功能梯度硬質(zhì)合金。
[0038]實施例3
[0039](1)以3ym及0 ? 95ym碳化媽(WC)、400nm碳化欽(TiC)、1 ? 26ym鈷(Co)、200nm碳化?凡 (VC)、lwii碳化鉻(Cr3C2)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為原料，表層按43 ? 9細晶WC-13 ? 5TiC-6Co+ 0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，過渡層按 41 細晶 WC-8TiC-10Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，芯層按31.9細晶WC-5.3TiC-15Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配比混合，按8: 1的球料比加入磨球，按200ml:1kg的無水乙醇料比加入無水乙醇，球磨24h后，表層加入 36.6粗晶WC，過渡層加入41粗晶WC，芯層加入47.8粗晶WC，繼續(xù)球磨24h;
[0040](2)將混合粉末無水乙醇混合液放入真空干燥箱，保持溫度116°C干燥6小時，隨箱冷卻至室溫，過篩；[0041 ](3)將一定量表層混合粉料放入模具，鋪平，手動壓制，在表層壓制混合料上放一定量過渡層混合粉料，鋪平，手動壓制，在過渡層壓制混合料上放一定量芯層混合粉料，鋪平，手動壓制，在芯層壓制混合料上放一定量過渡層混合粉料，鋪平，手動壓制，在過渡層壓制混合料上放一定量表層混合粉料，鋪平，手動壓制，將5層梯度粉體在千斤頂上壓制。 [〇〇42](4)將試樣及模具放入真空熱壓爐內(nèi)，真空度保持在10Pa以下按40°C/min升溫至1200°C ;隨后按20°C/min緩慢升溫至1400°C，保溫30min，然后按8°C/min降溫至1200°C，然后隨爐冷卻；在室溫至1200°C期間，壓力保持5MPa，1200-1400°C，壓力保持15MPa，1400-1200 °C保持30MPa。至燒結(jié)程序運行結(jié)束，即可獲得每層大約為1.05mm的雙晶功能梯度硬質(zhì)合金。
[0043]實施例4
[0044](1)以3ym及0 ? 95ym碳化媽(WC)、400nm碳化欽(TiC)、1 ? 26ym鈷(Co)、200nm碳化?凡(VC)、lwii碳化鉻(Cr3C2)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為原料，表層按43 ? 9細晶WC-13 ? 5TiC-6Co+ 0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，過渡層按 41 細晶 WC-8TiC-10Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，芯層按31.9細晶WC-5.3TiC-15Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配比混合，按8: 1的球料比加入磨球，按200ml:1kg的無水乙醇料比加入無水乙醇，球磨24h后，表層加入 36.6粗晶WC，過渡層加入41粗晶WC，芯層加入47.8粗晶WC，繼續(xù)球磨24h;
[0045](2)將混合粉末無水乙醇混合液放入真空干燥箱，保持溫度116°C干燥6小時，隨箱冷卻至室溫，過篩；
[0046](3)將一定量表層混合粉料放入模具，鋪平，手動壓制，在表層壓制混合料上放一定量過渡層混合粉料，鋪平，手動壓制，在過渡層壓制混合料上放一定量芯層混合粉料，鋪平，手動壓制，在芯層壓制混合料上放一定量過渡層混合粉料，鋪平，手動壓制，在過渡層壓制混合料上放一定量表層混合粉料，鋪平，手動壓制，將5層梯度粉體在千斤頂上壓制。 [〇〇47](4)將試樣及模具放入真空熱壓爐內(nèi)，真空度保持在10Pa以下按40°C/min升溫至1200°C ;隨后按20°C/min緩慢升溫至1425°C，保溫15min，然后按8°C/min降溫至1200°C，然后隨爐冷卻；在室溫至1200°C期間，壓力保持5MPa，1200-1425°C，壓力保持15MPa，1425-1200 °C保持30MPa。至燒結(jié)程序運行結(jié)束，即可獲得每層大約為1.05mm的雙晶功能梯度硬質(zhì)合金。
【主權(quán)項】
1.一種梯度硬質(zhì)合金刀具材料，其特征是:梯度層包括對稱的5層，每層均含有粗晶碳 化鎢和細晶碳化鎢，自表及里，粗晶碳化鎢和細晶碳化鎢比例增大，碳化鈦比例減小，粘結(jié) 相比例增大；表層按36.6粗晶WC-43.9細晶WC-13.5TiC-6Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配 比，過渡層按41粗晶WC-41細晶WC-8TiC-10Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配比，芯層按47 ? 8 粗晶 WC-31 ? 9 細晶 WC-5 ? 3TiC-15Co+0 ? 6VC-0 ? 4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度硬質(zhì)合金刀具材料的制備方法，其特征是包括以下 步驟:(1)混合料球磨表層按 36.6 粗晶 WC-43.9 細晶 WC-13.5TiC-6Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合，過 渡層按41粗晶WC-41細晶WC-8TiC-10Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP質(zhì)量配比混合，芯層按47.8粗 晶 WC-31.9 細晶 WC-5.3TiC-15Co+0.6VC-0.4Cr3C2-2PVP 質(zhì)量配比混合；先將細晶 WC、TiC、Co、 VC、Cr3C2、PVP放入球磨筒，按8:1的球料比加入磨球，按200ml: lkg的無水乙醇料比加入無水 乙醇，球磨24h后，再加入粗晶WC，繼續(xù)球磨24h;分別制得表層、過渡層、芯層三種粉末無水 乙醇混合液；(2)干燥過篩將步驟(1)制得的三種粉末無水乙醇混合液分別放入真空干燥箱，保持溫度116°C干燥 6小時，隨箱冷卻至室溫、過篩，得到表層混合粉料、過渡層混合粉料、芯層混合粉料；(3)壓制成型根據(jù)模具大小及梯度層厚度計算出各梯度層粉末重量，依次將表層混合粉料放入模 具、鋪平、壓制，在表層壓制混合料上放過渡層混合粉料鋪平、壓制，在過渡層壓制混合料上 放芯層混合粉料鋪平、壓制，在芯層壓制混合料上放過渡層混合粉料、鋪平、壓制，在過渡層 壓制混合料上放表層混合粉料鋪平、壓制，將5層梯度粉體在千斤頂上壓制；(4)真空燒結(jié)將步驟(3)制得的壓坯及模具一起放入熱壓爐中，熱壓爐真空度保持在10Pa以下，按40 °C/min升溫至1200°C;隨后按20°C/min緩慢升溫至1350-1450°C，保溫15-90min，然后按8 °C/min降溫至1200°C，然后隨爐冷卻；在室溫至1200°C期間，壓力保持5MPa，1200-1350? 145〇°C 壓力保持 l5MPa，l35〇 ?145〇-l2〇0°C 壓力保持 3〇MPa。
【文檔編號】B22F5/00GK105945291SQ201610519120
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】孫加林, 趙軍
【申請人】山東大學