[发明专利]一种具有表层富粘结相梯度结构的硬质合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有表层富粘结相梯度结构的硬质合金及其制备方法，该表层富粘结相梯度结构的硬质合金是以Ni₃Al、Ru、Re、B强化后的金属作为粘结相，以WC和立方碳化物如TaC、NbC、TiC、TiCxNy或它们的固溶体作为硬质相，立方碳化物占硬质合金质量分数的3‑12％，其中TiCxNy含量为0.5‑2.0％，粘结相占硬质合金质量分数的4.5‑12.5％，其余为WC。制备方法包括湿磨、干燥制粒、模压成型和烧结。本发明的表层富粘结相梯度结构的硬质合金具有优异的韧性、耐磨性和抗氧化性，适用于加工铸铁、合金钢、不锈钢、高温合金等金属材料。

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，涉及一种硬质合金及其制备方法，尤其涉及一种硬质合金切削刀片及具有表层富粘结相梯度结构的硬质合金的制备方法。

背景技术

硬质合金具有硬度高、耐磨性好、强度和韧性高、耐高温性能良好等性能，在切削加工领域得到广泛应用。随着材料科学和机械加工工业的发展，要求硬质合金刀具在更高的加工效率下能满足使用要求。涂层硬质合金刀具既能充分利用涂层的高耐磨性又能充分发挥硬质合金较好的抗冲击韧性，但涂层在应力作用下很容易产生微裂纹。为了阻止裂纹向硬质合金基体扩展，需在基体表层形成具有高韧性的富粘结相层，或称为表面缺立方相层、脱β层。

具有这种结构的硬质合金通常在原料粉末中添加一定量的立方相，如TiC、TiN或固溶体碳化物(Ti,W)C、(Ta,Nb)C或固溶体碳氮化物(Ti,W)(C,N)、(Ti,Ta,Nb)(C,N)、TiCN等，将原料粉末球磨混合、压制成整体含有立方相的压坯，在烧结阶段通过改变炉内气氛使得在基体表面形成一定厚度的缺立方相的梯度层，在缺立方相中不含硬脆的立方相且Co含量高于基体平均含量，因而具有较高的韧性。在部分专利文献中(例如US4277283、US6998173B2号美国专利文献，以及CN1079179A号中国专利文献)公开了表层缺立方相结构的硬质合金基体及其制备方法。以表层缺立方相的梯度结构硬质合金作为刀具基体，表面富粘结相层因具有较高韧性，可以吸收在化学气相沉积涂层(CVD)时由于涂层和基体之间热膨胀系数的不同而在冷却过程中产生的热应力，减缓由此引起的微裂纹向基体中的扩展，从而提高材料性能和延长切削刀具使用寿命。

为了增强刀片基体本身的耐磨性，减少高速切削时的刀片刃口塑性变形，专利CN105803288 B和CN 110144511 A采用粗细两种不同WC晶粒，使细晶粒填充粗WC晶粒之间的孔隙降低堆积孔隙率，从而降低合金烧结致密的难度，降低合金的WC晶粒度、邻接度，提高合金的韧性，使得硬质合金同时兼备韧性和强度。

但硬质合金中粗细两种晶粒同时存在时，细晶粒有较大的烧结驱动力，从而在烧结过程中能促进烧结，同时也容易造成粗晶粒的异常长大，因此采用这种方式来改善抗塑形变形能力存在一定的风险。通过对粘结相进行强化处理，提高粘结相的高温性能，也能有效降低刃口塑形变形。专利CN 104404337 A及欧洲专利EP1786954A1在粘结相中引入元素Ru，使合金的硬度和耐磨性都获得提高。因为Ru能溶解于粘结相Co中，增强了Co相的高温硬度，而硬质合金的塑形变形主要发生在粘结相，Ru在Co中影响了位错的运动和应力积聚，所以引入Ru后使得合金的高温硬度得到提高，改善了刃口的塑形变形。但Ru引入太少效果不明显，引入过多会显著降低Co的韧性，且Ru价格昂贵，即使引入1wt.％也会大幅提高原料成本。

此外，在实际使用过程中，具有脱β层梯度结构的刀片，除了有高温塑性变形外，偶尔也会出现崩刀现象，这与梯度结构中的粘结剂含量分布有很大关系。梯度结构层中各部位的粘结剂含量均应该明显高于标称含量，才能有效防止裂纹扩展。如果仅仅在梯度层与正常组织的过渡面上富集粘结剂，表层部位粘结剂含量低则不能起到预期的增韧效果，造成切削过程中崩刀。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种兼具有高耐磨性、优异抗冲击韧性、高温硬度高的硬质合金及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种具有表层富粘结相梯度结构的硬质合金，其特征在于：