[发明专利]具有梯度结构的板状WC晶粒硬质合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有梯度结构的板状WC晶粒硬质合金的制备方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

硬质合金具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、较好的化学稳定性，也具有一定的强度和韧性，主要用于制作刀具、模具、耐磨结构件等，在机加工、装备制造、采矿、石油开采等领域已得到广泛的应用，被誉为“现代工业的牙齿”。

尽管如此，由于硬质合金由硬质相和金属粘结相组成，因而均质的硬质合金总是存在着硬度与强韧性的矛盾，材料硬度越高，强韧性就越差，反之亦然。随着现代工业的发展，对硬质合金的要求越来越高，迫切需要解决其高硬度高强韧性难以兼顾的缺陷。

解决上述矛盾通常的办法是首先制备强韧性较佳的硬质合金基体，然后在其表面涂覆高硬度的涂层。然而此类方法不仅价格昂贵，且因涂层与基体之间存在明显的界面，与基体之间物理性能也相差甚远，因而在使用过程中，外载的作用很容易导致表面涂层剥落。制备板状WC晶粒硬质合金是解.决上述问题的有效途径之一。WC晶粒呈板状的硬质合金只所以在保持较好强韧性的基础上，还具有较高的硬度与其组织结构密切相关。WC属于六方晶系，普通 WC晶粒和板状WC晶粒的立体模型如附图1所示。其中，图1a为普通硬质合金中WC晶粒，图1b为板状WC晶粒，图1中WC(0001)基面和(1100)的硬度分别为HV＝2100和HV＝1080。因而如果使WC(0001)面择优生长为板状，WC(0001)所占的比例提高，硬质合金的硬度就会得到相应的提高。另一方面，板状WC晶粒的形成使材料在外载的作用下，裂纹的扩展出现了绕晶、裂纹偏转等现象，提高了裂纹扩展所需的能量，因而使材料的韧性得以明显的提高。制备板状WC晶粒硬质合金的方法有：(1)利用WC在烧结过程中的异常晶粒长大；(2)利用特定条件下合成WC孪晶；(3)以“W+石墨+Co”或“Co_xW_yC_z碳化物+C”混合料为原料，通过在烧结过程中的化学反应获得盘状WC晶粒。其中方法(3)较易控制，是相对较成熟的板状WC晶粒硬质合金的制备方法。中国专利CN1068067C公布了“含片晶碳化钨的硬质合金及其制备方法”，首先制备片晶碳化钨形成粉末M_xW_yC_z(其中M为Co、Ni、Fe等)碳化物，然后以片晶碳化钨形成粉末M_xW_yC_z碳化物、碳源化合物、调节化合物及金属Co、Fe、Ni中的一种或其合金为原料，通过烧结的方法制备含片晶碳化钨的硬质合金。中国专利CN 102061401A公布了“一种具有高硬度高韧性双高性能WC基硬质合金的制备方法”，该方法采用纳米W粉、纳米石墨粉超细Co粉和/或Ni粉为原料，超细Cr₃C₂与稀土为联合掺杂剂，采用粉末冶金方法制备了具有高结晶完整性、纯板状晶结构、各向同性的硬质合金。中国专利CN 101117673A 公布了“含板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法”，该方法的特点如下：首先用化学法制备板状WC单晶颗粒，以其为晶种，与WC、Co粉混合得到混合料，然后经高能球磨、热压烧结制备含有板状晶粒的硬质合金。

制备成分和显微组织在表面一定厚度内呈现连续梯度变化的梯度结构硬质合金，使材料表面具有较高的硬度和较好的耐磨性，芯部具有较好的强韧性是解决上述问题的另一条有效途径。制备梯度结构硬质合金的方法有多种，其中较成熟且已用于工业生产的是原位扩散法。中国专利CN85108173在申请书“最适合于岩石钻孔和矿石切割的硬质合金体”中公布了一种制备梯度结构硬质合金的方法，即属该法。首先通过采用低碳量的混合料制备出含有η相的硬质合金基体，然后在高温下对其进行固相渗碳处理得到钴相呈现梯度分布的硬质合金。该法制备的梯度材料表面钴含量较低，过渡层钴量较高，芯部含有脆性η相，η相的存在使材料的强韧性有所降低。中国专利CN102002664B公布了“一种梯度结构硬质合金的制备方法”，首先对已具有正常组织的硬质合金进行表层脱碳处理，得到梯度硬质合金前驱体，再对其进行固体渗碳处理，从而得到表面层钴相呈现梯度的梯度结构硬质合金，且芯部没有脆性η相，从而具有更好的使用性能。中国专利CN101724760B公布了“表面硬化的功能梯度硬质合金及其制备方法”，该制备方法包括如下过程：制备碳化钨—钴混合料、压制、烧结以及在具有渗碳气氛的炉中热处理该已烧结的碳化钨—钴烧结体，其中热处理的温度范围在固相碳化钨、液相钴及固相钴三相共存区，最终得到表层钴含量低于基体钴含量的梯度结构硬质合金。