[发明专利]一种以稳定性调控制备硬质合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以稳定性调控制备硬质合金的方法，属于硬质合金材料和粉末冶金技术领域。

背景技术

WC-Co类硬质合金一直是硬质合金领域中性能最好、应用效益最大的硬质材料，一度引起世界工模具材料的变革。根据WC平均晶粒尺寸不同，通常将WC-Co类硬质合金分为若干等级。一般将WC平均晶粒尺寸大于6微米的合金称为超粗晶硬质合金。与WC平均晶粒尺寸为1-2微米的传统硬质合金相比，超粗晶硬质合金具有如下性能优势：具有高的冲击韧性，随着硬质合金中WC晶粒尺寸的增大，冲击韧性和断裂韧性明显提高；具有优良的红硬性，在1000℃以上的高温条件下，超粗晶硬质合金的硬度明显高于传统硬质合金，其蠕变变形小；具有高的热导率，抗热疲劳和抗热冲击性能好，在Co含量相同的条件下，超粗晶硬质合金中晶界比例明显减少，高的热导率有效降低热裂纹的产生几率；适用范围广，尤其在大载荷、高频率循环冲击等恶劣工况下，具有优异的使用性能。

超粗晶硬质合金在保持优良的硬度和耐磨性的同时具有显著提高的抗冲击韧性，是煤炭挖掘、岩石开采、道路修建等工程作业所需重型机械关键部件的首选材料，具有非常广阔的应用前景，是当今硬质合金领域国际上备受关注的热点研发方向。目前我国实现产业化的粗晶硬质合金，WC平均晶粒尺寸一般小于5微米，超粗晶硬质合金远未形成硬质合金市场上大规模工业化产品，与国际先进水平还存在较大差距。如球齿、镐头等粗晶硬质合金，国内产品常存在WC晶粒异常长大、晶粒棱角尖锐、晶粒内存在一定密度晶体缺陷、Co相分布不均匀等问题，严重影响产品的使用性能和服役寿命。

通常人们认为，要制备出超粗晶硬质合金，首先必须制备出粗大颗粒的WC粉末，再通过烧结致密化，得到粗大晶粒组织的硬质合金块体材料。据国内外文献报道，已有多种方法可制备粗颗粒WC粉末，如铝热法、铸造碳化钨法、高温碳化法、二步碳化法、粉末分级法等。尽管这些方法可制备出粗颗粒WC粉末，但是在烧结前粗颗粒WC与Co粉末进行混合的过程中，非常容易导致粗颗粒及其内部WC晶粒发生破碎、烧结时产生部分晶粒异常长大，以及Co相在烧结过程中难以均匀分布等问题。因此，制备超粗晶硬质合金的关键是如何实现在加热过程中WC晶粒持续、均匀地长大，而不发生异常晶粒长大和Co相偏聚。

发明内容

本发明即针对目前超粗晶硬质合金制备的研究现状和技术瓶颈问题，提供一种以热稳定性调控制备超粗晶硬质合金的方法。其核心技术原理是：多晶体合金中晶粒组织稳定性的控制要素是体系自由能。在微米级粗晶合金中，晶粒长大的驱动力是体系自由能的降低。如果多晶体合金中体系自由能保持单调下降的趋势，那么晶粒组织将持续、均匀、稳定地长大，如，纯净单相组织在升温热处理过程中发生的正常晶粒长大。然而，如果有其他因素造成体系自由能降低，如溶质原子于晶界偏聚、第二相从母相中析出等，晶粒长大的驱动力将明显减小，以至导致晶粒长大停滞。因此，本发明从消除引起体系自由能降低的可能因素入手，促使合金体系自由能尽可能持续单调下降，从而促进晶粒不断均匀长大，这即是以热稳定性调控晶粒组织制备超粗晶硬质合金的内在原理。

本发明提供的一种以稳定性调控制备硬质合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备Co相在WC基体中分布均匀的WC-Co硬质合金烧结体材料，使其Co含量为5.0-10.0wt％，氧含量<0.10wt％，游离碳含量<0.10wt％；将该硬质合金烧结体材料加工成圆柱形棒料，直径10-20mm，长度20-80mm；

上述WC-Co硬质合金烧结体材料可采用已授权的专利的技术方法，专利号ZL200910091185.0。

(2)取步骤(1)制备的两根硬质合金圆棒，上下竖直端部相邻，依次置于区域熔炼炉的垂直浮区，抽真空至炉内压力<10^-4Pa，设定运行功率为总功率的60-95％，在20-30分钟内将功率增加到设定的运行功率，待两根硬质合金圆棒接触端形成束状稳定熔融态后，以10-30mm/h的速率下降下面的硬质合金圆棒，同步还下降上面的硬质合金圆棒，直至上面的硬质合金圆棒从炉中取出，使上面的硬质合金圆棒成为区熔处理后的硬质合金棒料；

(3)将步骤(2)所得区熔处理后硬质合金棒料置于真空热处理炉或碳化炉中，通入甲烷或一氧化碳等碳化气氛，在900-1100℃保温1-3小时，随炉冷却至室温，得到超粗晶硬质合金棒料。

总功率优选为使得硬质合金圆棒在下降的过程中，两根硬质合金圆棒接触端的WC-Co复相组织达到共晶态或完全熔化状态所需的功率。