一种硬质合金材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硬质合金材料及其制备方法和应用。该硬质合金包括过渡金属碳化物和非金属碳化物，其中，过渡金属碳化物与非金属碳化物的质量比为1:4～9。该硬质合金基于原料间各组分的协同作用，充分发挥碳化物晶体强化作用，在大幅提升合金材料的硬度的同时还显著增加了合金材料的强度与韧性。该硬质合金采用一体化高温高压锻造工艺，同时对材料进行高温加压，从而改变原有碳化物的晶格取向，使得合金材料呈现细密的晶相。该硬质合金具有优异的硬度、红硬性、耐磨性和强韧性，可满足各类切削刀具的材料要求和高温环境中零部件的需求。刀具的材料要求和高温环境中零部件的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种硬质合金材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种合金材料，具体涉及一种硬质合金材料及其制备方法和应用，属于合金材料


技术介绍

[0002]在我国的硬质合金制造业中，常见的方式有两种，一种是采用2种以上同一属性的金属混合压制烧结而成，例如有钨钴合金、铁镍合金、铜锌合金等；另一种则是采用用2种以上不同属性的材料，例如将非金属和金属混合压制烧结而成，代表性合金有硅铁合金、硅铝合金、钯硼合金、铜硼合金、铁碳合金等。然而，无论是何等材料，何等制备技术，何等烧结工艺，都采用混合—压制—烧结三步走的制备方法，这一工艺流程已经是行业中成熟而实际运行的制备方法。该工艺首先将原材料按一定比例配混，压制成型，置于带有保护气氛的炉内进行高温烧结，烧结时炉内附带有6MPa以下的保护气体压强。而最近几年兴起的热等静压高温烧结合金、热等静压所给予合金烧结时的压强也小于等于20MPa。
[0003]通过上述描述可知，硬质合金的性能与原料组分配比和制备工艺有着紧密的关联，硬质合金不仅要求硬度高、耐磨性好，还要求合金具有一定的冲击韧性和抗弯韧性，然而在合金领域，硬度与强度，硬度与韧性，是相互矛盾的两种特征属性，一般而言，硬度越高的合金，其强度与韧性是降低的，这一特征，显然无法满足现有工业对于合金性能的要求。
[0004]中国专利(CN104831144)提供了一种复合硬质合金材料，其以纳米碳化钛、纳米氮化钛、碳化钨、碳化铌、碳化硅、氧化钇、碳化铝、钛粉、碳化钽、碳化锆、钴粉、硅粉、镍粉和碳化硼为主要原料，通过添加稀土元素，与合金中的氧、硫等杂质结合，从而达到净化晶界，消除缺陷，使制备出来的合金具有强度高、韧性好、耐磨、热冲击性能好的特点。然而该硬质合金原料种类繁杂，且对于原料的要求较高，存在纳米级原料，且仍存在强度与韧性不足等缺点。
[0005]综上所述，现有技术当中仍无法实现硬质合金在保证高硬度的同时大幅提升材料的强度与韧性，各工业生产领域对于高质量硬质合金的需求亟需得到满足。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术的第一个目的在于提供一种硬质合金材料。该合金材料以过渡金属碳化物和非金属碳化物为原料，基于原料间各组分的协同作用，充分发挥碳化物晶体强化作用，在大幅提升合金材料的硬度的同时还显著增加了合金材料的强度与韧性。
[0007]本专利技术的第二个目的在于提供一种硬质合金材料的制备方法，该方法通过电加热与压机加压方式，获得制备所需要超高压有效工作压强，同时对材料进行高温加压，改变原有碳化物的晶格取向，使合金材料呈现细密的晶相。该方法通过调节电流强度与压强，可以实现对合金材料硬度与强度与韧性的可控调节。
[0008]本专利技术的第三个目的在于提供一种硬质合金材料的应用，本专利技术所提供的硬质合
金材料基于原料组分与制备方法的协同性，赋予该合金材料有益的力学性能，尤其是大幅提升该合金材料的硬度、红硬性、耐磨性、抗冲击性和抗弯性，满足各类切削刀具及高温环境中零部件的材料要求。
[0009]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种硬质合金材料，包括过渡金属碳化物和非金属碳化物；所述过渡金属碳化物与非金属碳化物的质量比为1：4～9。
[0010]本专利技术采用过渡金属碳化物和非金属碳化物，其中，非金属碳化物的含量远远高于过渡金属碳化物，这样做的目的在于提高合金的硬度的同时降低合金的密度，从而大幅提升合金材料的硬度和强度与韧性。进一步的，该硬质合金材料不含氧化物、氮化物，氧化物在高温高压合成后的坯体中容易造成微裂纹，导致强度与韧性降低；而氮化物的含氮量难以控制，含氮过高可使硬质合金的相变超出可控范围，从而降低了硬质合金的硬度。
[0011]作为一项优选的方案，所述过渡金属碳化物为碳化锆、碳化铬、碳化钛和碳化钒中的至少一种。
[0012]作为一项优选的方案，所述碳化锆为立方多晶体，化合碳含量为5％～10％之间，粒径小于5μm。
[0013]作为一项优选的方案，所述碳化铬为面心立方晶格，化合碳含量4％～7％之间，粒径小于5μm。
[0014]作为一项优选的方案，所述碳化钒为立方晶体，化合碳含量5％～8％之间，粒径小于5μm。
[0015]作为一项优选的方案，所述碳化钒为面心立方晶格，化合碳含量5％～8％之间，粒径小于5μm。
[0016]作为一项优选的方案，所述非金属碳化物为碳化硼和/或碳化硅。
[0017]作为一项优选的方案，所述碳化硅的晶体结构为立方晶体，可以为α相αsic或β相βsic，游离碳含量5％～10％之间，粒径小于5μm。
[0018]作为一项优选的方案，所述碳化硼的晶体结构为斜方六面体结构，游离碳含量为10％～20％之间，粒径小于5μm。
[0019]为了保证非金属碳化物与过渡金属碳化物的晶格配位，二者所选用的晶体应相近或相同，在非金属碳化物中，立方结构的碳化硅和斜方六面体结构的碳化硼是硬度最高的晶体结构，因此，本专利技术选用的过渡金属碳化物均采用立方晶体。若不按上述要求进行晶体选择，会导致在高温高压的合成工艺中，非金属材料和过渡金属材料之间的原子结合产生缺陷，导致合金材料的硬度、强度和韧性均出现下降。
[0020]作为一项优选的方案，所述硬质合金包括以下质量百分比组分：碳化硼5～85％，碳化硅5～85％，碳化铬2～13％，碳化钒1～5％，碳化钛1～5％。
[0021]作为一项优选的方案，所述硬质合金由以下质量百分比组分组成：碳化硼6～80％，碳化硅6～80％，碳化铬2～11％，碳化钒1～3％，碳化钛1～3％。硬质合金的组分配比要严格按照上述比例执行，若过渡金属碳化物的总含量≧30％时，会导致合金材料的硬度大幅下降，降至HRC60左右，若过渡金属的总含量≦5％时，合金材料的脆性变大，抗弯强度和冲击韧性大幅下降。
[0022]本专利技术还提供了一种硬质合金的制备方法，包括以下步骤：将包括过渡金属碳化物和非金属碳化物的原料混合均匀后压制，得合金胚体；将合金胚体高温挤压后冷却，即
得。
[0023]作为一项优选的方案，所述原料的纯度为不低于99.5％的粉末和/或料块。
[0024]作为一项优选的方案，所述压制的方式为压机压制，条件为：压力为15～20MPa，时间为2～10min。
[0025]作为一项优选的方案，所述高温挤压的方式为两面顶压机或六面顶压机，条件为：压力6～10GPa，温度1400～1600℃，时间为10～60min。为保证合金胚体的有效工作压力在6～10GPa之间，压机的系统工作压强要在10～16GPa之间。
[0026]作为一项优选的方案，所述高温挤压的加热方式为电加热，电流强度为1500～2500A。
[0027]本专利技术还提供了一种硬质合金材料的应用，用于制备特种切削刀具。
[0028]本专利技术所提供的合金材料的原料全部以碳化物的物质性质出现，不含氧化物、氮化物等物质，采用多种复合碳化物相互协同，并通过高温高压合成制得。经测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硬质合金材料，其特征在于：包括过渡金属碳化物和非金属碳化物；所述金属碳化物与非金属碳化物的质量比为1:4～9。2.根据权利要求1所述的一种硬质合金材料，其特征在于：所述过渡金属碳化物为碳化钨、碳化锆、碳化铬、碳化钛和碳化钒中的至少一种；所述非金属碳化物为碳化硼和/或碳化硅。3.根据权利要求2所述的一种硬质合金材料，其特征在于：包括以下质量百分比组分：碳化硼5～85％，碳化硅5～85％，碳化铬2～13％，碳化钒1～5％，碳化钛1～5％。4.根据权利要求3所述的一种硬质合金材料，其特征在于：由以下质量百分比组分组成：碳化硼6～80％，碳化硅6～80％，碳化铬2～11％，碳化钒1～3％，碳化钛1～3％。5.权利要求1～4任一项所述的一种硬质合金的制备方法，其特征在于：将包括过渡金属碳化物和非金属碳化物的原料混合均匀后压...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋孟瑶，
申请(专利权)人：蒋孟瑶，
类型：发明
国别省市：