[发明专利]以镍－铝金属间化合物Ni3Al为粘结相的硬质合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质合金材料及其制备方法，特别是一种通过粉末冶金的技术制备以碳化物为基体、镍－铝金属间化合物为粘结相的增韧增强的硬质合金及其方法。

背景技术

碳化钨硬质合金由于其高强度、高硬度、高耐磨性和高红硬性，被广泛地用作切削刀具、矿山工具和耐磨零件等。现有的碳化钨硬质合金材料主要是由基体碳化钨和粘结相钴金属组成。由于钴对碳化钨的润湿性好使其室温综合力学性能好，但钴属于战略资源，价格较为昂贵，且其高温耐磨性、高温抗氧化性和抗腐蚀性能均相对较低，在一定程度上限制了以钴作为粘结相的碳化钨硬质合金的应用。而金属间化合物原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键共存的特性，使其在抗高温氧化、抗腐蚀等方面具有独特的优异性，如FeAl、Fe₃Al金属间化合物的在耐硫蚀、抗氧化及耐磨损等方面表现优越，其弱铁磁性，适合于恶劣的工作环境，且其突出优点是成本低。又如，Ni₃Al金属间化合物在抗氧化、防渗碳和耐磨方面具有优越性。尤为突出的是，在800℃以下，Ni₃Al强度随温度升高不是连续下降，而是先随温度的升高而升高，到达一定的高温后再下降，即屈服强度在峰值温度以下具有正温度效应。由于Ni₃Al金属间化合物具有较高的高温强度、蠕变抗力和高的比强度，且Ni₃Al对WC、TiC的润湿性与钴相当。因此，以Ni₃Al金属间化合物作为硬质合金粘结相，其性能能够达到商用硬质合金YG牌号性能。

目前制备以Ni₃Al金属间化合物为粘结相的硬质合金的方法主要有：

1、机械合金化方法+快速烧结工艺，即将不同的粉末在高能球磨机中球磨，粉末经磨球的碰撞、挤压、重复地发生变形、断裂、焊合、原子间相互反应而在基体内部原位生成金属间化合物相，然后采用快速烧结制备成复合物。如中国专利“一种WC-增韧增强Ni₃Al硬质合金及其制备方法”（公开号CN101560623，公开日2009年10月21日）和“一种以Ni₃Al为粘结相的碳化钨材料及其制备方法”（公开号CN101323925，公开日2008年12月17日），公开了该机械合金化方法+快速烧结工艺制备方法，该方法按原料粉末配比投料进行高能球磨，直至球磨粉末中WC粉末晶粒平均尺寸分别细化至小于200nm和100nm；再采用放电等离子快速烧结高能球磨后的硬质合金粉末制备Ni₃Al粘结WC复合材料，主要用于耐磨零件。但由于这种方法影响因素比较多，例如球磨类型、时间、介质、过程控制剂等参数，设备、操作复杂，且直接采用元素粉末制备Ni₃Al金属间化合物为粘结相的硬质合金，往往因为Ni_、Al元素发生放热反应，使过工艺过程难以控制，不适合产业化生产；

2、热压法，即粉末压制和烧结同时进行的工艺。一般是采用金属间化合物预合金粉末和碳化物粉末混合均匀后，在一定的温度和压力下烧结，从而形成复合物。如美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)已发展一系列IC(Intermetallic Compounds) Ni₃Al金属间化合物预合金粉末，部分投入了生产。并对预合金粉末和陶瓷粉末，通过热压的方法制备了WC/TiC基金属间化合物复合材料，应用于高温、磨损、腐蚀、氧化等场合。由于需要外加压力，对模具要求高，且只能单件生产，成本高，生产效率低。且在复合物的成形上，热压法还会造成材料组织的不均匀；

3、液相烧结法，即将Ni₃Al金属间化合物预合金粉末和碳化物粉末混合均匀后在一定的温度下烧结，使金属间化合物达到熔融状态，冷却形成复合物。通常对粉末原料采用球磨混合后，制成混合料，然后压制成所需形状的压坯，在烧结炉内进行气氛液相烧结而成。如中国专利申请“一种含铝化镍和硼铜基的硬质合金及其制造方法”（公开号CN101880810A，公开日2010年11月10日），是在以碳化钨为基体材料的碳化钨基硬质合金中，添加一部分Ni₃Al代替合金中的钴，并同时添加微量硼铜等添加剂，通过高温烧结而得到。这种液相烧结法虽具有操作简单，容易实现产业化生产的特点，但在合金中容易产生孔隙，和“Ni₃Al金属池”。这就要求金属间化合物对硬质相有很好的润湿性和溶解度，且预合金粉末的要求较细。