[发明专利]一种表面富粘结相层内WC晶粒形状呈规则排列的超细晶梯度硬质合金及其制备方法

说明书

一种表面富粘结相层内WC晶粒形状呈规则排列的超细晶梯度硬质合金及其制备方法，本发明属于硬质合金制造领域，具体涉及一种表面富粘结相区域内WC晶粒呈规则排列取向分布的超细晶梯度硬质合金及其制备方法。所述梯度硬质合金表面为仅含有WC和Co的富粘结相层，厚度为40‑80μm，富粘结相内的WC晶粒形状近似为长方形板状且呈规则有序排列分布；芯部均匀分布着WC、Co和立方相，WC晶粒形状不规则呈无序分布；制备方法是配料球磨后压成，先进行压力烧结，再在真空无氮气氛下进行梯度烧结热处理，获得表面富粘结相区域内WC晶粒呈取向分布的超细晶梯度硬质合金。本发明结构设计合理，制备工艺简单可控，生产成本较低，可大规模的工业化生产和应用。

技术领域

本发明属于硬质合金制造领域，具体涉及一种表面富粘结相层内WC晶粒形状呈规则排列的超细晶梯度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，NbC等）为硬质相，以过渡族金属（Fe，Co，Ni）为粘结相，通过粉末烧结方法制备的一种合金材料，具有较高的强度和硬度，耐磨性较好等优点，主要被用来制作刀具或模具，广泛应用在切削加工和模具制造领域。近年来，随着材料科学和机械加工行业的发展，对硬质合金材料在高速高温连续工作等复杂工况条件下的耐磨性能、强度、硬度和抵抗塑性变形能力等提出了越来越高的要求。

超细晶硬质合金因晶粒细小，强度和硬度较高，在机械加工领域显示出非常优越的使用性能，可以满足现代加工工业对材料加工用刀具材料性能的要求，是未来硬质合金的发展趋势。

随着涂层技术的发展，目前应用的硬质合金刀具通常采用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）在硬质合金刀具基体表面镀上一层或多层硬度更高、耐磨性更好的金属或非金属化合物涂层，提高硬质合金刀具的耐磨性和使用寿命，如TiN、Al2O3等。然而由于涂层和基体之间热膨胀系数不同，在冷却过程中，涂层和基体之间产生的热应力会导致一些微裂纹出现，并且在使用过程中会向基体内部扩展。另外，刀具在切削过程中承受较大的切削力，要求刀具基体本身具有较高的强度、刚度和抵抗塑性变形能力，以防止工件回弹，提高加工精度。目前主要采用表面具有较高韧性的富钴梯度硬质合金基体阻止裂纹扩展从而提高和延长硬质合金的性能和使用寿命。但表面梯度层硬度低，刚度小，抵抗塑性变形能力差，难以承受较大的切削力，造成工件的加工精度和表面光洁度较差。

目前制造这种梯度硬质合金的技术被称作梯度烧结，如美国专利4277283和4610931，采用含氮的添加剂在真空中烧结，而美国专利4548786则向气体相中添加氮，这两种情况都获得了基本不含有立方相的表面富粘结相区。美国专利4830930则通过在烧结之后进行脱碳获得表面富粘结相区。这些烧结工艺均采用两步烧结法（预烧结和梯度烧结分两步完成），烧结气氛为无氮真空。两步烧结法制备梯度硬质合金中WC晶粒尺寸较大，尤其是表面梯度层内的WC晶粒呈无序分布，性能较低。

中国发明专利ZL 201410011294.8和CN1900331采用一步法烧结制备了表面富粘结相的超细晶粒梯度硬质合金，这些专利的表面为富钴层不含立方相，芯部为含有WC、Co和立方相的均匀组织。但是在表面富钴层内的WC晶粒呈无规则分布，因此当用于冲击或作为钻头使用时等工况条件下，硬度和强度较弱，不能充分发挥表面富钴梯度硬质合金的作用。本发明专利表面富粘结相层内的WC晶粒呈现规则排列，作为钻头或在冲击工况条件下使用时，可承载较大的力学作用而不发生锻炼变形。另外该专利合金成分复杂，添加有价格较高的原料粉末增加了生产成本。