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一种钴镍铁基硬质合金材料及其制备方法技术

技术编号:24882540 阅读:21 留言:0更新日期:2020-07-14 18:09
本发明专利技术提供了一种钴镍铁基硬质合金及其制备方法,属于粉末冶金领域。本发明专利技术采用FeCoNi为粘结相,Cr、W、V、Nb等为少量合金元素,经过将Fe、Co、Ni元素粉末和合金元素及碳化物粉末混合、球磨、干燥制粒、压制成型、脱蜡、烧结制备得出系列成本低、性能高的新型粘结剂硬质合金;采用平均粒径为0.4~16μm、且粒度分布为0.2~18μm、含量为65~95%(重量比)的碳化钨粉末,低压烧结温度为1350~1480℃,压力为5~10MPa,时间为0.5~2h,得到了从细晶到超粗晶的优质钴镍铁基硬质合金;由该方法制备得到的钴镍铁基硬质合金材料硬度达到纯钴硬质合金水平,抗弯强度和断裂韧性均比纯钴硬质合金提高5~20%,满足工业需求。本发明专利技术的生产成本远远低于现有产品,为工业化推广应用提供了重要条件;同时,本发明专利技术涵盖的WC粒度范围宽泛,产品的应用范围可覆盖硬质合金刀具、矿用工具、盾构产品,以及PCB微钻。

【技术实现步骤摘要】
一种钴镍铁基硬质合金材料及其制备方法
本专利技术属于粉末冶金
,更具体地,涉及一种钴镍铁基硬质合金材料及其制备方法。
技术介绍
硬质合金由难熔金属硬质化合物和粘结金属组成。硬质合金结合了高硬度的难熔金属碳化物和延展性较好的粘结金属的优点,具有强度和硬度高、耐磨性好、红硬性好、热膨胀系数小、弹性模量高以及化学稳定性好等一系列优良性能,被广泛地应用于切削刀具、矿山工具、耐磨零件等领域。硬质合金中常见的硬质相主要是WC、TiC、TaC、NbC、VC等,并以WC为主,由于金属Co对WC等硬质相具有良好的润湿性和粘结性,因此通常硬质合金选用Co作为粘结相。然而,Co资源昂贵,资源匮乏,其毒性和污染问题不容忽视。因此,性能优良、成本低廉的环保硬质合金成为一个重要的研究领域。近年来,采用镍铁元素或者钴镍铁合金取代钴作为粘结相的新型硬质合金引起了国内外研究者的广泛关注【1-4】。但是,现有技术中钴镍铁基硬质合金存在力学性能较差,碳化钨晶粒尺寸范围窄的问题。因此,设计开发一种宽范围晶粒尺寸、硬度和抗弯强度高的钴镍铁基硬质合金材料具有十分重要的意义。高熵合金以5种或以上合金以等原子比或近等原子比的配比成分组成,由于具有高强度、高韧性、高耐腐蚀性等特性,在硬质合金粘结剂方面近年来也有研究报道【5-7】。但是,高熵合金中通常含有高达25%的Cr,会大大减少硬质合金碳平衡区间,提高烧结的难度,并由于促进碳化物中间相的形成,导致材料的晶粒形状不规整、韧性也降低等问题。本项目借助高熵合金的理念,采用非等原子比的成分配比,在富钴镍的基础上,添加较多量的铁,并添加少量W、Cr、V、Nb等元素,一方面保证材料具有良好的强度硬度,另一方面提高了材料的烧结工艺区间和韧性,并降低了材料的成本。参考文献:[1]GarciaJ.InfluenceofFe–Ni–Cobindercompositiononnitridationofcementedcarbides[J].InternationalJournalofRefractoryMetals&HardMaterials,2012,30(1):114-120.[2]GaoY,LuoBH,HeKJ,etal.EffectofFe/NiratioonthemicrostructureandpropertiesofWC-Fe-Ni-Cocementedcarbides[J].CeramicsInternational,2017:S0272884217323544.[3]ChangSH,ChangPY.InvestigationintothesinteredbehaviorandpropertiesofnanostructuredWC–Co–Ni–Fehardmetalalloys[J].MaterialsScienceandEngineering:A,2014,606:150-156.[4]SchubertWD,FuggerM,WittmannB,etal.AspectsofsinteringofcementedcarbideswithFe-basedbinders[J].InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2015,49:110-123.[5]ErikHlmstrom,RaquelLizarraga,DavidLinder,etal.Highentropyalloys:Substitutingforcobaltincuttingedgetechnology,AppliedMaterialsToday,2018,12:322-329[6]C.S.Chen,C.C.Yang,H.Y.Chaietal.JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2014,43:200-204[7]P.F.Zhou,D.H.Xiao,T.C.Yuan.PowderMetallurgy,2017,60:1-6
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种宽范围WC晶粒尺寸的钴镍铁基硬质合金硬质合金及其制备方法,本专利技术提供的钴镍铁基硬质合金中采用平均粒径为0.4~16μm、粒度分布为0.2~18μm,且硬度、抗弯强度和断裂韧性高。为了实现上述专利技术目的,本专利技术提供以下技术方案:Co粉:2.5~12%、优选为3.5~8.5%;Ni粉:2.5~12%、优选为3.5~8.5%;Fe粉:0.5~10%、优选为0.5~5.5%;WC粉:65~95%、优选为89.5~93.9%;W粉:0.2~2.0%、优选为0.3~1.5%;Cr2C3:0.1~8.0%、优选为0.5~5.5%;VC:0.1~5.0%、优选为0.1~3.5%;NbC:0.1~6.0%、优选为0.3~5.5%;上述所有合金成分之和为100%。所述钴镍铁基硬质合金材料的制备方法包括以下步骤:S1.配料:将碳化钨粉、钴粉、镍粉、铁粉、钨粉和Cr、V、Nb的碳化物粉末按上述重量百分比进行配料,添加成型剂,进行湿磨处理混合均匀,得到湿磨料浆;所述湿磨料浆中碳化钨粉的粒径为0.2~18μm;S2.将S1的湿磨料浆进行过滤、筛分,并干燥制粒;S3.压制成型:将经过筛网擦筛的料粒进行压制成型,得到半成品;S4.烧结成型:将压制后的半成品放入烧结炉中烧结后,冷却后即得成品。其中WC平均粒径为0.4~16μm;钴粉的平均粒径为1.0~1.5μm;镍粉的平均粒径为1.5~2.5μm;铁粉的平均粒径为2.5~3.5μm;钨粉的平均粒径为0.5~1.5μm;Cr2C3、VC、NbC粉末的平均粒径为0.1~1.0μm。混料和球磨工艺:成型剂为顺丁橡胶溶液,添加量为硬质合金粉末重量的7.8~8.2%。将不同粉末和成型剂混合,在辊筒式球磨机中,添加硬质合金球进行湿磨,处理工艺参数为:球料比为(4~8):1,球磨介质为汽油,汽油与碳化钨、钴粉、镍粉、铁粉、钨粉以及Cr2C3、VC、NbC粉末所配成的原料液固比为250~300ml/kg,球磨时间24~72h、球磨转速为30~40转/min。干燥制粒:为了提高粉末的均匀性和成形性,球磨后的料浆在喷雾干燥装置中进行干燥,或通过真空干燥和震动制粒;干燥的温度为60~200℃,气氛为氮气或真空。压制成型:制粒后的粉末团粒通过压制成各种产品形状,具体方式包括冷等静压、单向压制或双向压制;压制成型的压强为100~200MPa。脱蜡与烧结:压制后的产品需要在真空或者保护气氛中,600~900℃脱除粘结剂,然后进行低压烧结致密化,具体工艺为:通入氩气5~10MPa,采用1350~1480℃烧结,保温时间30~120min,冷却至室温即得硬质合金材料。作为进一步的优选方案,碳化钨粉末的粒度分布为0.5~16.0μm。优选地本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种钴镍铁基硬质合金材料,其特征在于,由以下重量百分比的合金成分组成:/nCo粉:2.5~12%、优选为3.5~8.5%;/nNi粉:2.5~12%、优选为3.5~8.5%;/nFe粉:0.5~10%、优选为0.5~5.5%;/nWC粉:65~95%、优选为89.5~93.9%;/nW粉:0.2~2.0%、优选为0.3~1.5%;/nCr

【技术特征摘要】
1.一种钴镍铁基硬质合金材料,其特征在于,由以下重量百分比的合金成分组成:
Co粉:2.5~12%、优选为3.5~8.5%;
Ni粉:2.5~12%、优选为3.5~8.5%;
Fe粉:0.5~10%、优选为0.5~5.5%;
WC粉:65~95%、优选为89.5~93.9%;
W粉:0.2~2.0%、优选为0.3~1.5%;
Cr2C3:0.1~8.0%、优选为0.5~5.5%;
VC:0.1~5.0%、优选为0.1~3.5%;
NbC:0.1~6.0%、优选为0.3~5.5%;
上述所有合金成分之和为100%。


2.根据权利要求1所述钴镍铁基硬质合金材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.配料:将碳化钨粉、钴粉、镍粉、铁粉、钨粉和Cr、V、Nb的碳化物粉末按上述重量百分比进行配料,添加成型剂,进行湿磨处理混合均匀,得到湿磨料浆;所述湿磨料浆中碳化钨粉的粒径为0.2~18μm;
S2.将S1的湿磨料浆进行过滤、筛分,并干燥制粒;
S3.压制成型:将经过筛网擦筛的料粒进行压制成型,得到半成品;
S4.脱蜡、烧结成型:将压制后的半成品在气氛中脱蜡、在烧结炉中烧结后,即得成品。


3.根据权利要求2所述钴镍铁基硬质合金材料的制备方法,其特征在于:所述WC平均粒径为0.4~16μm;钴粉的平均粒径为1.0~1.5μm;所述镍粉的平均粒径为1.5~2.5μm;所述铁粉的平均粒径为2.5~3.5μm;所述钨粉的平均粒径为0.5~1.5μm;所述Cr2C3、VC、NbC粉末的平均粒径为0.1~1.0μm。


4.根据权利要求2所述钴镍铁基硬质合金材料的制备方法,其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘咏李昆张伟钱铖
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南;43

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