一种可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法，按合金的理论成分计，称取的W粉由两种颗粒大小明显不同的W原料以一定的重量比例所组成，并称取石墨粉及Co粉；通过调节行星式球磨的工艺参数先对W‑C‑Co粉末进行行星式球磨；然后再通过调控等离子体辅助球磨，获得由小尺寸片层状W薄片与大尺度片层状W薄片共同组成的W‑C‑Co复合粉末；随后将球磨粉末进行压制成型，经高温原位碳化烧结得到致密的板状WC晶粒硬质合金。本发明专利技术不仅制备工艺简单，耗能低，而且可实现烧结块体中板状WC排列取向程度的调控，进一步优化了板状WC晶粒WC‑Co硬质合金的力学性能，使硬质合金具有优良的综合力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法
本专利技术涉及WC-Co硬质合金的制备，特别涉及一种可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法。
技术介绍
WC-Co硬质合金作为一种具有高硬度、优异的耐磨性的硬质材料，被广泛应用于在机加工业及采掘业等领域，被誉为“工业的牙齿”。然而，传统WC-Co硬质合金作为一种金属陶瓷材料，硬度和强度即耐磨性和韧性(抗裂性)是相互矛盾的两项特性，在提高硬度往往会牺牲材料的韧性，反之亦然，这就限制了硬质合金的进一步发展。因此发展同时兼顾高硬度、高强度、高韧性等力学性能的硬质合金成为硬质合金研究领域的重点。针对这一情况，诸多措施例如制备纳米/超细晶WC、双晶结构WC，Co梯度功能硬质合金等可兼顾硬度、强度及韧性的方法均取得了较好的发展。WC晶体具有密排六方结构，作为一种六方晶系的各向异性晶体，其(0001)晶面上的硬度要高于其它晶面上的硬度。但传统WC-Co硬质合金中的WC晶粒多为三角或者多角棱柱状体，若三角或多角棱柱状体的发生(0001)面的择优长大，则可转变为板状WC晶粒，且随着(0001)面所占比例的WC晶粒所占比例的增加，合金整体硬度和韧性都会得到提高。因此，含板状WC晶粒的硬质合金要比传统硬质合金具有更好的综合力学性能，在实际应用中具有其独特的优势，是硬质合金领域中的一个新的发展方向。目前，制备板状WC的所使用的原材料一般为以下3种：单质W粉末、WC粉末、WxCoyC粉末等。这些方法的共同特点是在于制备板状WC流程的前期阶段中，优先制备出具有后期烧结过程中可生成板状形态WC的前驱体(特殊处理的W、WC、WxCoyC等)。研究报道称采用微米级W粉，经特殊处理后，促使W转变为板状体来制备含板状WC晶粒的硬质合金。但该类方法的缺点在于板状体W的含量低，需要提高烧结温度及延长烧结时间来获得板状WC，不仅板状WC的产量低，难以实现对板状WC的比例调控，制备周期长，工艺繁琐，能耗高。中国专利CN101117673A及CN101376931A中公布了“含(大块)板状碳化钨晶粒的硬质合金的制备方法”。该方法中采用高能球磨对板状WC晶种及Co进行球磨制备混合料，后续热压烧结得到了板状WC与常规WC晶粒组成的混晶结构。但由于板状边长通常在3～8μm，板状WC晶粒的尺寸较大，对硬质合金的强化不利。并且板状WC具有垂直于压制力方向的(0001)面的择优取向特征，导致了合金力学性能的各向异性。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”，其采用两步法工艺，即先制备出含Co3W3C，Co6W6C等的片晶WC形成粉末，再将该粉末与碳源化合物来制备含片晶WC的硬质合金。但该方法的缺点是工艺稳定性差。上述方法虽然较好的制备板状WC，明显的不足之处在于工艺流程较为繁琐，生产周期长，能耗高，而且对板状WC在合金块体中的排列取向没有进行较好的调控。而板状WC晶粒的排列状态与硬质合金力学性能的关系常表现为以下两种情况：(1)当板状WC混乱排列于合金中时，虽然合金的力学性能具有较好的均一性，但其力学性能相对于定向排列时较差；(2)当板状WC处于高度定向排列时，虽然合金在WC(0001)晶面较多的部位具有优异的性能，但由于WC的各向异性，其他部位的性能相对较差，实际工况应用中不利于合金力学性能的发挥。由此可见，寻求一种能耗低，生产周期短，既可高效制备高含量板状WC晶粒，且可对板状WC晶粒排列取向进行较好的调控，同时保证硬质合金具有较好的力学性能均匀性的板状WC硬质合金的制备方法变得至关重要。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法，优化了板状WC晶粒WC-Co硬质合金的力学性能，使硬质合金具有优良的综合力学性能，并且工艺简单，耗能低。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法，包括以下步骤：(1)按WC-XCo的成分称量石墨粉、Co粉与W粉；其中W粉包括细小颗粒的W原料和粗大颗粒的W原料，其中6≤X≤20；所述细小颗粒的W原料的颗粒尺寸为0.3μm～1μm；所述粗大颗粒的W原料的颗粒尺寸为5μm～25μm；所述细小颗粒的W原料和粗大颗粒的W原料的重量比为1:4～4:1；(2)将步骤(1)的石墨粉、Co粉与W粉，并加入实际所需的额外碳量，置于行星式球磨机中进行行星式球磨，得到W-C-Co粉末；(3)将步骤(2)得到的W-C-Co粉末置于等离子体辅助高能球机中，进行等离子体辅助球磨，得到W-C-Co复合粉末；(4)将步骤(3)得到的W-C-Co复合粉末进行单向轴压压制成型，得到W-C-Co粉末生坯；(5)将W-C-Co粉末生坯于1350～1550℃中进行碳化烧结。步骤(1)所述石墨粉的颗粒尺寸为20μm～80μm。步骤(1)所述Co粉的颗粒尺寸为0.5μm～5μm。步骤(2)所述行星式球磨的具体参数为：球料比为1:3～1:5，球磨时间为5～10h。步骤(3)所述等离子体辅助球磨的具体参数为：球料比为30:1～60:1，球磨时间为3～6h，放电电流为1～3A。步骤(3)所述W-C-Co复合粉末，由小尺度片层状W薄片与大尺度片层状W薄片共同组成，所述小尺度片层状W薄片的长度为200nm～1.5μm，厚度为40nm-200nm；所述大尺度片层状W薄片的长度为3μm～15μm，厚度为60nm～300nm。所述碳化烧结为真空烧结或低压烧结。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1))本专利技术采用了行星式低能预球磨及等离子体辅助球磨的两步法来制备合金粉末，行星式低能量预球磨有利于粉末成分分布均匀且颗粒之间达到低强度结合的W-C-Co粉末，以避免后续等离子体辅助球磨中粉末的偏聚；采用等离子体辅助球磨过程中可在较短时间内(3～6h)对W进行扁平化处理以获得片层状W薄片的W-C-Co复合粉末。(2)本专利技术通过调配小颗粒W原料与大颗粒W原料的重量之比，可对球磨后的W-C-Co粉末中的小尺度片层状W薄片与大尺度片层状W薄片的进行数量比例的控制，进而实现所制备的硬质合金中板状WC在硬质合金中排列取向的调控，优化合金的综合力学性能。(3)相比于其它制备板状WC的方法，等离子体辅助球磨的时间为3～6h后得到的W-C-Co粉末，在高温环境中可直接碳化烧结获得高含量的板状WC，板状WC晶粒在合金中的数量比大于65％。(4)本专利技术的制备工艺流程短，操作简便，主要步骤为“预球磨、等离子体辅助球磨、粉末压制成型、原位高温碳化烧结”制粉克服了传统技术中制备高含量板状WC硬质合金中生产周期长，制备工艺繁琐，能耗高的缺点。附图说明图1为硬质合金不同截面的定义及测试示意图。图2为实施例1的球磨后F粉末的形貌图。图3为实施例1的试样F中板状WC的三维形貌。图4为实施例1的试样F在横截面上的组织形貌SEM图。图5为实施例1的试样F在横截面上的XRD图。图6为实施例1的试样F在纵截面上的组织形貌SEM图。图7为实施例1的试样F在纵截面上的XRD图。图8为实施例1的球磨后P粉末的形貌图。图9为实施例1的试样P中板状WC的三维形貌。图10为实施例1的试样P在横截面上的组织形貌SEM图。图11为实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按WC‑XCo的成分称量石墨粉、Co粉与W粉；其中W粉包括细小颗粒的W原料和粗大颗粒的W原料，其中6≤X≤20；所述细小颗粒的W原料的颗粒尺寸为0.3μm～1μm；所述粗大颗粒的W原料的颗粒尺寸为5μm～25μm；所述细小颗粒的W原料和粗大颗粒的W原料的重量比为1:4～4:1；(2)将步骤(1)的石墨粉、Co粉与W粉，并加入实际所需的额外碳量，置于行星式球磨机中进行行星式球磨，得到W‑C‑Co粉末；(3)将步骤(2)得到的W‑C‑Co粉末置于等离子体辅助高能球机中，进行等离子体辅助球磨，得到W‑C‑Co复合粉末；(4)将步骤(3)得到的W‑C‑Co复合粉末进行单向轴压压制成型，得到W‑C‑Co粉末生坯；(5)将W‑C‑Co粉末生坯于1350～1550℃中进行碳化烧结。

【技术特征摘要】
1.一种可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按WC-XCo的成分称量石墨粉、Co粉与W粉；其中W粉包括细小颗粒的W原料和粗大颗粒的W原料，其中6≤X≤20；所述细小颗粒的W原料的颗粒尺寸为0.3μm～1μm；所述粗大颗粒的W原料的颗粒尺寸为5μm～25μm；所述细小颗粒的W原料和粗大颗粒的W原料的重量比为1:4～4:1；(2)将步骤(1)的石墨粉、Co粉与W粉，并加入实际所需的额外碳量，置于行星式球磨机中进行行星式球磨，得到W-C-Co粉末；(3)将步骤(2)得到的W-C-Co粉末置于等离子体辅助高能球机中，进行等离子体辅助球磨，得到W-C-Co复合粉末；(4)将步骤(3)得到的W-C-Co复合粉末进行单向轴压压制成型，得到W-C-Co粉末生坯；(5)将W-C-Co粉末生坯于1350～1550℃中进行碳化烧结。2.根据权利要求1所述的可调控板状WC晶粒排列状态的硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述石墨粉的颗粒尺寸为20μm～80μm。3.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱敏，王为，鲁忠臣，曾美琴，鲍贤勇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44