一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金及其制备方法，通过在优化晶粒抑制剂在生坯表面附着方式，变更其扩散方式，优化高温扩散的烧结和时间，从而制备出了梯度层≥0.2mm，最厚可达6mm以上的粒度梯度合金。该方法工艺简单，设备投资少，过程易控制，生产成本低，其制备的WC-Co粒度梯度硬质合金，粒度梯度层厚度≥0.2mm，最厚可达6mm以上，芯部WC晶粒的平均大小约为表层WC晶粒的平均大小的1.05～1.5倍，表层Hv1硬度约为芯部Hv1硬度的1.03～1.2倍，且此合金不存在Co的梯度变化，表面WC粒度较小，有较高硬度和耐磨性，芯部WC粒度较大，具有较好的韧性，合金有着充足的加工余量，可以更容易的应用到各种产品中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硬质合金材料制造
，特别是涉及一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金及其制备方法。
技术介绍
一般的WC-Co硬质合金是一种WC和Co均匀分布的均质材料，由于其具有高硬度，高强度，高耐磨性，高抗变形性，高耐腐蚀性等优良特性，被广泛的用于模具、切削加工及钻探挖掘等行业和领域。在各种材料中，硬度和韧性大多是此消彼长的关系，WC-Co硬质合金也同样如此，我们很难获得同时具有高硬度和高韧性的WC-Co硬质合金。然而，在现代工业中，特别是在切削，采矿和模具行业中，我们希望获得硬度，韧性，耐磨性同时兼备的产品。梯度合金的出现被认为是解决上述要求的一个极为重要的手段，通过调整表层和芯部的组织结构，我们可以获得不同的功能层，从而使其应用于不同的服役条件。粒度梯度WC-Co硬质合金是指从样品的整体或部分，表层到芯部，WC平均晶粒度呈现变大或缩小的梯度变化的硬质合金。现行的粒度梯度WC-Co硬质合金的制备方法主要有两种，第一种是分层压制，即将WC平均晶粒度不同的WC-Co混合粉末通过多道压制工序获得具有不同粒度层的生坯，例如，专利公开号JP2014-105354，US5541006，CA101545058，CN102453822等所披露的。这种分层压制的方法虽然可以获得粒度梯度合金，但其具有以下问题：(1)压制过程极为复杂，仅适用于简单形状的生坯；(2)粒度梯度仅存在于压力方向上；(3)需要多种平均粒度不同的WC粉末；(4)由于不同粒度层的收缩系数不同，在界面处容易产生应力集中，在烧结和压制中容易引起开裂，使用中也易断裂。第二种方法是表面附着晶粒抑制剂的方法，例如，专利公开号US5623723，JP1992-128330，CN102209599，CN103752833等所披露的。但是，对于这种方法，目前各国专利文献所提及的粒度层变化厚度多为0.2mm左右，也是就说，这种方法生产的产品基本上不具备加工余量。并且，目前这种方法所制备的WC-Co粒度梯度合金均存在Co梯度(表层Co含量高于或低于芯部Co含量的2％～4％)，当粒度梯度区(表层区域)Co含量高于正常基体时，会降低表层硬度，降低粒度变化带来的效果；当粒度梯度区Co含量低于正常基体时，会增加表层脆性，在使用过程中容易产生开裂、断裂等问题。、除上述两种方法外，专利公开号JP2006-188749也公开了一种M3C、M12C缺碳化合物制备粒度梯度合金的方法，此方法的表层Co含量极低(≤2wt.％)，并且需经过预烧，渗碳处理等工序，大幅增加了材料的制备过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足，提供一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金及其制备方法，这种合金有着充足的加工余量，厚度可达6mm以上，不存在Co梯度，表面WC粒度较小，有较高硬度和耐磨性，芯部WC粒度较大，具有较好的韧性；在宏观上表现为表层硬度高，耐磨性好，整体坚韧，可用于切削，采掘和模具等行业；并且，由于这种粒度梯度合金有着较厚的梯度层，有着充足的加工余量，可以更容易的应用到各种产品中。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金，包括WC和Co，其中，Co含量占WC和Co总量的3.wt％～20.wt％；还包括含Cr，V，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Mo中的一种或多种晶粒抑制剂元素，并且所含元素的浓度从所述合金表面到芯部呈逐步降低，其表层浓度不高于WC、Co和所含元素总量的1wt.％，其芯部浓度最低可以为0wt.％；所述合金的WC平均晶粒度从表层到芯部呈逐渐增大，其芯部的平均晶粒度为表面的1.05～1.5倍。所述合金的硬度表现为从表面到芯部呈逐渐降低，其表面硬度为芯部的1.03～1.2倍，且合金的硬度表现为从表面到芯部不存在Co梯度。所述表层是指距试样的晶粒抑制剂涂抹面的距离不超过100μm的区域；所述芯部是指所含元素含量与Co含量的比值为所含元素/Co<0.75％的区域，或距晶粒抑制剂涂抹面的距离超过6mm的区域。所述合金的表面至芯部之间的区域为粒度梯度层，该区域的所含元素含量与Co含量的比值为：0.75％<所含元素/Co<10％。一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金的制备方法，包括如下步骤：A.原料选取：WC粉：为单一平均粒度的WC粉；Co粉：为单一平均粒度的Co粉；成型剂：为石蜡，聚乙二醇。晶粒抑制剂：含Cr，V，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Mo中一种或多种晶粒抑制剂元素的碳化物或氧化物；B.混合料制备：按照Co含量占WC和Co总量的3.wt％～20.wt％配制所需混合粉末，经湿磨、干燥工序后制备WC-Co混合料，其中，在湿磨前或湿磨后掺入占WC、Co和成型剂总量的1～2wt.％的成型剂；C.生坯制备：按照预先设定的要求将混合料压制成所需的形状的生坯；D.晶粒抑制剂混合液制备：将含Cr，V，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Mo中一种或多种晶粒抑制剂元素的碳化物或氧化物的粉末与水，酒精，聚乙二醇中一种或多种溶剂混合制备晶粒抑制剂混合液。其中含Cr，V，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Mo中一种或多种晶粒抑制剂元素的碳化物或氧化物与溶液的比例范围为0.1～1.5g/ml；E.附着：将步骤D中所制备的晶粒抑制剂混合液涂抹到步骤C所制备的生坯的需要实现粒度梯度的区域；F.烧结：将涂抹有晶粒抑制剂的生坯进行高温烧结处理，从而获得粒度梯度硬质合金。所述高温烧结处理是在真空条件下烧结，其中，在900～1280℃之间的升温速度不高于2℃/min，烧结温度控制在1320～1550℃，保温时间控制在0.5～4h，烧结炉内压力保持在60～2000Pa。所述高温烧结处理是在过压条件下烧结，其中在900～1280℃之间的升温速度不高于2℃/min，烧结温度控制在1320～1550℃，保温时间控制在0.5～4h，烧结炉内Ar气分压保持在0.5～9.5MPa。采用上述工艺所制备的WC-Co粒度梯度硬质合金，粒度梯度层厚度可达6mm以上，芯部WC晶粒的平均晶粒度约为表层WC晶粒的平均晶粒度的大小的1.05～1.5倍，表层HV1硬度约为芯部Hv1硬度的1.03～1.2倍，且此合金不存在Co的梯度变化。本专利技术的一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金及其制备方法，是通过改进晶粒抑制剂的附着方式，将传统的高温扩散变更为低温液相渗透(室温～600℃)和高温扩散(600℃～烧结温度)相结合的方式，并进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金，其特征在于：包括WC和Co，其中，Co含量占WC和Co总量的3.wt％～20.wt％；还包括含Cr，V，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Mo中的一种或多种晶粒抑制剂元素，并且所含元素的浓度从所述合金表面到芯部呈逐步降低，其表层浓度不高于WC、Co和所含元素总量的1wt.％，其芯部浓度最低可以为0wt.％；所述合金的WC平均晶粒度从表层到芯部呈逐渐增大，其芯部的平均晶粒度为表面的1.05～1.5倍。

【技术特征摘要】
1.一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金，其特征在于：包括WC和Co，
其中，Co含量占WC和Co总量的3.wt％～20.wt％；还包括含Cr，V，Ta，Nb，Ti，
Zr，Hf，Mo中的一种或多种晶粒抑制剂元素，并且所含元素的浓度从所述合金表面
到芯部呈逐步降低，其表层浓度不高于WC、Co和所含元素总量的1wt.％，其芯部
浓度最低可以为0wt.％；所述合金的WC平均晶粒度从表层到芯部呈逐渐增大，其芯
部的平均晶粒度为表面的1.05～1.5倍。
2.根据权利要求1所述的用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金，其特征在于：
所述合金的硬度表现为从表面到芯部呈逐渐降低，其表面硬度为芯部的1.03～1.2倍，
且合金的硬度表现为从表面到芯部不存在Co梯度。
3.根据权利要求2所述的用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金，其特征在于：
所述表层是指距试样的晶粒抑制剂涂抹面的距离不超过100μm的区域；所述芯部是
指所含元素含量与Co含量的比值为所含元素/Co<0.75％的区域，或距晶粒抑制剂涂
抹面的距离超过6mm的区域。
4.根据权利要求3所述的用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金，其特征在于：
所述合金的表面至芯部之间的区域为粒度梯度层，该区域的所含元素含量与Co含量
的比值为：0.75％<所含元素/Co<10％。
5.一种用液相渗透法制备的粒度梯度硬质合金的制备方法，其特征在于：包括
如下步骤：
A.原料选取：
WC粉：为单一平均粒度的WC粉；
Co粉：为单一平均粒度的Co粉；
成型剂：为石蜡，聚乙二醇。
晶粒抑制剂：含Cr，V，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Mo中一种或多种晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，李文强，聂洪波，吴冲浒，冯炎建，曾祺森，肖满斗，文晓，
申请(专利权)人：厦门钨业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35