一种水刀喷嘴用硬质合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种水刀喷嘴用硬质合金材料及其制备方法。所述硬质合金材料是由WC+HfC粉末混合物经SPS制备得到，基于100wt.％的粉末混合物的总重量，所述粉末混合物中包含：97.0wt.％～99.75wt.％的WC粉末，0.25wt.％～3.0wt.％的HfC粉末。该硬质合金材料具有相对密度高、硬度超高、强度大且具有良好的加工性能，可满足水刀喷嘴的使用要求。可满足水刀喷嘴的使用要求。

【技术实现步骤摘要】
一种水刀喷嘴用硬质合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于粉末冶金领域，涉及一种超硬硬质合金材料及其制备方法，更具体而言，涉及一种水刀喷嘴用硬质合金材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]1968年，美国密执安大学教授诺曼
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弗兰兹博士专利技术高压水射流切割技术，又称水刀切割。1974年，美国福禄公司成功将纯水刀切割系统应用于工业生产。80年代，美国又率先把水磨料射流切割技术推进到了实用阶段，使切割对象更为广泛。在众多的切割手段中，只有高压水刀切割属于冷态切割,其具有诸多优点：可以对材料进行任意曲线的一次性切割加工，切割后的产品不需要或易于二次加工，方便灵活、用途广泛；不使用有毒、有害气体或液体，不产生有毒的物质或蒸汽；切缝不产生热影响区或机械变形；能够加工其它加工方法无法加工或难于加工的材料,如陶瓷、复合材料、化纤、热敏感材料等；安全、环保、速度快、效率高。以激光切割为例进行比较，在薄板切割中激光虽然在切割速度方面要优于水射流切割，但在16mm以上的金属切割中激光切割成本高，而且激光切割的切缝周边仍产生热影响区。水刀切割金属材料厚度一般可达30～100mm以上，并且对材料无任何影响。
[0003]高压水刀工作原理是利用超高压增压器逐级增压将液体加压至200～400MPa，然后再通过一个直径小于0.2mm的喷嘴形成一束射流速度可达1000m/s、具有极大动能的水线，形成高能水射流，喷射到工件表面并将其破坏。加入石英砂、氧化铝、金刚砂等磨料的水磨料射流切割，使得水射流具有了锯条的特性，切割力得到大大提高，几乎可以切割任何硬质材料。
[0004]由于高压水刀的工作要求苛刻，因此对水刀喷嘴材料的性能要求极高，常用的高压水刀喷嘴材料的硬度要求要大于2700HV，同时要求材料具有极高的相对密度、无孔洞裂纹等缺陷、良好的加工性能和抗冲击性能。
[0005]传统的硬质合金由于添加粘结相会降低硬质合金的硬度和力学性能。并且在恶劣的环境下，这些粘结相比硬质相更加容易被腐蚀和氧化，也使得其耐磨、耐腐蚀性等降低。无粘结相WC(碳化钨)基硬质合金是指不含或者含量小于0.5wt％Co的WC硬质合金材料。无粘结相WC基硬质合金与传统的硬质合金相比，其具有更为优异的耐磨性、抗腐蚀性、极好的抛光性以及其他优越的力学性能。然而，碳化钨是一种高熔点碳化物(2870℃)，在没有粘结相存在的条件下，利用传统烧结方法获得致密无粘结相硬质合金非常困难。
[0006]已有研究表明通过减小WC烧结粉末晶粒度可以降低其烧结温度，同时实现细化晶粒、提高硬度、改善力学性能；但更细的WC粉末烧结致密化过程也更容易出现晶粒长大，添加HfC(碳化铪)作为抑制剂能有效抑制其晶粒生长；放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，简称SPS)具有够快速升降温并且降低烧结温度的优点，从烧结工艺方面避免晶粒长大粗化。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于弥补现有研究的不足，调控HfC添加量并结合SPS系统，提供一种水刀喷嘴用硬质合金材料及其制备方法，生产出性能优异的水刀喷嘴用硬质合金。该硬质合金材料具有相对密度高、硬度超高、强度大且具有良好的加工性能，可满足水刀喷嘴的使用要求。
[0008]根据本专利技术的第一方面，提供一种水刀喷嘴用硬质合金材料，所述硬质合金材料是由WC+HfC粉末混合物经SPS制备得到，基于100wt.％的粉末混合物的总重量，所述粉末混合物中包含：97.0wt.％～99.75wt.％，优选98.0wt.％～99.5wt.％的WC粉末，0.25wt.％～3.0wt.％，优选0.5wt.％～2.0wt.％的HfC粉末。
[0009]优选地，所述硬质合金材料的相对密度不低于99.9％。
[0010]优选地，所述硬质合金材料中，除主相外，不含其它杂相。
[0011]优选地，所述硬质合金材料的硬度为2750HV～2850HV。
[0012]优选地，所述硬质合金材料的断裂韧性为5.0MPa
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～8.2MPa
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，更优选7.0MPa
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～8.0MPa
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[0013]根据本专利技术的第二方面，提供了一种根据本专利技术所述的水刀喷嘴用硬质合金材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0014]1)粉末混合：将WC粉末，HfC粉末放入行星式球磨机球磨混粉，得到的混合粉末进行真空干燥，基于100wt.％的混合粉末，所述粉末混合物中包含：97.0wt.％～99.75wt.％的WC粉末，0.25wt.％～3.0wt.％的HfC粉末；
[0015]2)装模：将步骤1)得到的合金粉末放入石墨阴模中，并采用液压机进行预压，预压压力为5～20MPa；
[0016]3)烧结：将装配好的石墨模具置于SPS系统中，设置轴向压力为10MPa～50MPa，抽真空至10Pa以下，通电烧结；升温速率设置为30℃～100℃/min，烧结温度为1600℃～1900℃，优选1700℃～1850℃；保温0～5min后结束烧结，随炉冷却；
[0017]4)取样：利用液压机将样品取出，样品表面的石墨采用喷砂处理去除，得到硬质合金材料。
[0018]优选地，所述WC粉末为商业用纯相粉末，其纯度不低于99.9％，粉末粒度为0.1～1.0μm。
[0019]优选地，所述HfC粉末为商业用纯相粉末，纯度不低于99.9％，粉末粒度为0.1～1.0μm。
[0020]优选地，HfC的添加比例为0.5wt.％～2.0wt.％。
[0021]优选地，真空干燥温度范围60～90℃，干燥时间20～48小时。
[0022]优选地，所述混合粉末置于所述石墨模具的中心位置。
[0023]优选地，石墨阴模与粉末之间采用石墨衬套隔开，石墨压头与粉末之间采用石墨薄片隔开；装配好的石墨模具外围包裹一层保温用石墨毡。
[0024]进一步优选地，在烧结温度≤1400℃时，轴向压力为10～20MPa；在烧结温度大于1400℃，且小于或等于1500℃时，加压至20～50MPa，优选30～50MPa；以目标压力进行恒压烧结，直至烧结完成。
[0025]优选地，在步骤3)中，升温速率设置为30～100℃/min。
[0026]优选地，根据本专利技术所述的方法得到的硬质合金块体材料的相对密度不低于99.9％，并且物相中除主相外，不含其它杂相。
[0027]优选地，根据本专利技术所述方法得到的硬质合金材料的硬度为2750HV～2850HV。
[0028]优选地，根据本专利技术所述方法得到的硬质合金材料的断裂韧性为7.0MPa
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[0029]本专利技术具有以下有益效果：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水刀喷嘴用硬质合金材料，其中，所述硬质合金材料是由WC+HfC粉末混合物经SPS烧结制备得到，基于100wt.％的粉末混合物的总重量，所述粉末混合物中包含：97.0wt.％～99.75wt.％，优选98.0wt.％～99.5wt.％的WC粉末，0.25wt.％～3.0wt.％，优选0.5wt.％～2.0wt.％的HfC粉末。2.根据权利要求1所述的水刀喷嘴用硬质合金材料，其中，所述硬质合金材料的相对密度不低于99.9％。3.根据权利要求1或2所述的水刀喷嘴用硬质合金材料，其中，所述硬质合金材料的硬度为2750HV～2850HV；优选地，所述硬质合金材料的断裂韧性为5.0MPa
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，更优选7.0MPa
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。4.根据权利要求1至3中任一项所述的水刀喷嘴用硬质合金材料的制备方法，其包括如下步骤：1)粉末混合：将WC粉末，HfC粉末放入行星式球磨机球磨混粉，得到的混合粉末进行真空干燥，基于100wt.％的混合粉末，所述粉末混合物中包含：97.0wt.％～99.75wt.％的WC粉末，0.25wt.％～3.0wt.％的HfC粉末；2)装模：将步骤1)得到的合金粉末放入石...

【专利技术属性】
技术研发人员：张久兴，朱俊康，范志强，董赵楠，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：