[发明专利]一种表面具有双层梯度结构的硬质合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硬质合金技术领域，具体涉及一种表面具有双层梯度结构的硬质合金及其制备方法。

背景技术

硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC，TiC，TaC和NbC等)为基体，以过渡族金属(Co，Fe，Ni)为粘结相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。硬质合金具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、低热膨胀系数以及高化学稳定性等优点，被誉为“工业的牙齿”，广泛地用作刀具、钻具、耐磨零件等。随着现代工业的飞速发展，对硬质合金刀具的性能提出了更高的要求。为提高硬质合金切削工具的使用寿命和切削性能，提高加工效率，通常采用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)和物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)方法在刀具基体上涂覆硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物(如TiC，TiN，Ti(C,N)，Al₂O₃和ZrO₂单层、多层或复合多层等)的薄层。但是，涂层与硬质合金基体的热膨胀系数不同，涂层工具材料在冷却过程中由于热应力作用易产生裂纹。由于涂层材料的脆性，通常裂纹更容易在涂层表面产生并向内部扩展。为了尽可能防止由于裂纹产生和扩展而导致的材料失效，以获得高性能的硬质合金切削刀具材料，通常要在涂层之前对含氮硬质合金基体进行脱氮烧结，在N和Ti的耦合扩散作用下使基体表面区形成不含立方相的韧性区，即脱β层。该梯度层(脱β层)相应的粘结剂含量高于基体名义粘结剂含量，其良好的韧性可吸收裂纹扩展时的能量，有效地阻止涂层中形成的裂纹向合金内部扩展、提高界面结合强度和降低界面应力集中，延长合金切削工具的使用寿命。目前，国内外大多脱β层梯度硬质合金采用的初始成分为WC–Ti(C,N)–Co，为进一步提高合金的高温性能、抗月牙洼磨损及抗后刀面磨损性能，通常在初始成分基础上添加TaC、NbC或(Ta,Nb)C等立方相粉末。

脱β层梯度硬质合金的制备过程涉及复杂的热力学和动力学现象，众多工艺参数(化学成分、烧结温度、烧结时间和烧结气氛等)都对其显微结构和性能有显著的影响。迄今为止，国内外学者对脱β层梯度硬质合金梯度烧结过程中的显微组织结构演变及梯度区的形成机理做了大量的研究工作，并详细研究了不同工艺参数对梯度层厚度和性能的影响。随着研究工作的更加系统和深入，脱β层梯度硬质合金材料的综合性能仍在不断提高，但都未曾在现有脱β层基础上提出新型的梯度结构。同时经检索发现：目前利用立方相溶解度间隙在现有脱β层梯度硬质合金基础上制备新型梯度结构的硬质合金还尚未专门研究。

发明内容

在本发明研究过程中发现ZrC/HfC具有高熔点和高硬度，在粘结相中微量固溶可抑制合金发生塑性变形。同时，ZrC/HfC可与Ti(C,N)存在溶解度间隙。当在WC–Ti(C,N)–Co–(TaC/NbC)基础上添加ZrC/HfC达到某个限度后，合金会出现立方相的溶解度间隙，即形成另外一种具有同样结构但合金成分有所区别(富Ti-(Ta/Nb)和富Zr/Hf)的两种立方相。这种溶解度间隙的存在对材料的结构和性能有着重要的影响，它往往是结构和性能变化的转折点，形成不同类型的结构和具有意想不到的性能。

本发明针对现有技术的不足，基于上述研究提供一种表面具有双层梯度结构的硬质合金及其制备方法。

本发明一种表面具有双层梯度结构的硬质合金，所述硬质合金从外到里包括第一梯度层、第二梯度层、芯层。所述第一梯度层不含立方相，所述第二梯度层含有立方相，所述芯部含有立方相；所述第一层梯度和第二梯度层中粘接相的含量分别高于和低于硬质合金中粘接相的平均含量。

作为优选方案；本发明一种表面具有双层梯度结构的硬质合金，所述硬质合金由WC、Co、立方相组成；所述硬质合金由WC、Co、立方相组成；所述立方相包括富Ti立方相和富Zr/Hf立方相；

所述第一梯度层中仅含有WC和Co两相，不含立方相且Co含量高于硬质合金中Co的平均含量；

所述第二梯度层由WC、Co和立方相构成；所述第二梯度层的Ti含量高于硬质合金中Ti的平均含量，而Co、Zr/Hf的含量分别低于硬质合金中Co、Zr/Hf的平均含量。

作为优选方案；本发明一种表面具有双层梯度结构的硬质合金，所述硬质合金以质量百分比计包括下述组分：

Co：6-12％；优选为6-10％、进一步优选为7-9％；

Ti：1-5％；优选为2-4％

Ta：0-5％；

Nb：0-5％；