本發(fā)明涉及一種梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法，屬于粉末冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：WC-Co硬質(zhì)合金因具有硬度高、耐磨性好、紅硬性高且化學(xué)性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)良特性，已廣泛用于機械加工、模具成型、鑿巖采礦、石油勘探和建筑工具等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)WC-Co硬質(zhì)合金內(nèi)外組織均勻，機械性能一致，使得這種均質(zhì)材料的硬度和強韌性之間存在難以調(diào)和的矛盾。當(dāng)材料的硬度較高時，其耐磨性較好，但是強韌性明顯要低；而當(dāng)強韌性較好時，材料的硬度則有所下降，導(dǎo)致材料的耐磨性下降。上述不足嚴重制約了WC-Co硬質(zhì)合金的發(fā)展。一般來說，強韌性要求較高時往往是以硬度的下降為代價的，反之亦然。為解決上述矛盾，目前主要有兩種方法：一種是用PVD或CVD的方法在強韌性較佳的硬質(zhì)合金基體表面涂覆高硬度的涂層。然而此類方法設(shè)備價格昂貴，且涂層與基體之間成分不同，存在明顯的界面，二者的物理性能也相差甚遠，在使用過程中，由于外載或熱應(yīng)力的作用會導(dǎo)致涂層很快剝落；另一種是制備由外往里呈連續(xù)梯度變化的硬質(zhì)合金材料，即梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，該類材料由于成分與組織呈連續(xù)梯度變化，可以較好地解決上述問題。制備梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的方法有多種，其中較成熟且已用于工業(yè)生產(chǎn)的是滲碳擴散法。中國專利CN85108173A在申請書“最適合于巖石鉆孔和礦石切割的硬質(zhì)合金體”中公布了一種制備梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的方法。該法首先通過采用低碳量的混合料制備出含有η相的硬質(zhì)合金基體，然后在高溫下對其進行固相滲碳處理得到鈷相呈現(xiàn)梯度分布的硬質(zhì)合金。此種梯度材料表面鈷含量較低，過渡層鈷量較高，但是芯部含有脆性η相，η相的存在會使材料的強韌性有所降低；中國專利CN102002664B公布了“一種梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的制備方法”。該法首先對已具有正常組織的硬質(zhì)合金進行表層脫碳處理，得到梯度硬質(zhì)合金前驅(qū)體，再對其進行固體滲碳處理，從而得到表面層鈷相呈現(xiàn)梯度的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，其芯部沒有脆性η相，從而具有更好的使用性能，但是這種方法受前期脫碳處理的影響較大，且梯度層厚度有限；中國專利CN101724760B公布了“表面硬化的功能梯度硬質(zhì)合金及其制備方法”。該法包括如下過程：制備碳化鎢—鈷混合料、壓制、燒結(jié)以及在具有滲碳氣氛的爐中熱處理該已燒結(jié)的碳化鎢—鈷燒結(jié)體，其中熱處理的溫度范圍在固相碳化鎢、液相鈷及固相鈷三相共存區(qū)，最終得到表層鈷含量低于基體鈷含量的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，該法制備的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的芯部也沒有脆性η相，但梯度層厚度有限。上述幾種制備梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的方法均需要對合金進行固態(tài)或氣態(tài)滲碳處理，該過程不僅工藝周期長、能耗高，而且需要通入滲碳介質(zhì)。鑒于上述情況，有必要開發(fā)出一種高性能低成本的梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金制備方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法。本方法是基于原位碳熱還原三氧化鎢制備梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金，且在一個完整的熱循環(huán)中獲得梯度結(jié)構(gòu)，無需進行固相或氣相滲碳處理。實現(xiàn)本發(fā)明的具體步驟如下：步驟(1)：配制混合料，其成分質(zhì)量份數(shù)為：W為61.64-76.38，C為9.91-11.89，O為6.49-10.06，Co為7.08-16.41。配制上述成分的混合料時，所用原料為WC粉、WO3粉、Co粉和石墨粉；步驟(2)：將上述混合料經(jīng)球磨、干燥、添加成型劑、壓制成型、脫脂工序后，在真空爐中進行燒結(jié)，得到梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金金。進一步，本發(fā)明所述具有梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法中，步驟(1)中的石墨粉含量除了保證完全還原WO3并通過碳化生成WC外，還應(yīng)高于正常化學(xué)計量0.2-0.4wt.％。進一步，本發(fā)明所述具有梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法中，步驟(2)所述球磨工序在行星式球磨機中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為200-300rpm，時間為24-36h。進一步，本發(fā)明所述具有梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法中，步驟(2)所述添加成型劑是指，添加濃度為15wt.％的汽油石蠟溶液，加入量為混合料質(zhì)量的12wt.％。進一步，本發(fā)明所述具有梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法中，步驟(2)所述壓制成型工序所用壓制壓力為120-180MPa。進一步，本發(fā)明所述具有梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金的制備方法中，步驟(2)所述脫脂是指，采用氫氣脫蠟法，將物料置于燒結(jié)爐中，在150-450℃之間，升溫速率為0.5℃/min。本發(fā)明中，步驟(2)中的燒結(jié)在一個完整的熱循環(huán)中完成，真空度均為1.0-10Pa，包括三個階段：首先將脫脂后的壓坯繼續(xù)以5℃/min的速率升溫至600℃，在600-800℃階段以0.8℃/min緩慢升溫，目的是進行碳熱還原反應(yīng)，充分脫除三氧化鎢中所含的氧，同時使生成的氣體能夠順利通過開孔從燒結(jié)體中逸出；然后以3℃/min的速率升溫至1200-1240℃，并在此溫度保溫120-180min，目的是使碳熱還原所得鎢粉進一步完全碳化為碳化鎢；最后以2℃/min的速率升溫至終燒溫度1390-1430℃，保溫30-60min，目的是進行最終的液相燒結(jié)并獲得致密的梯度結(jié)構(gòu)燒結(jié)體。在整個燒結(jié)過程中，首先通過原位碳熱還原反應(yīng)在生坯內(nèi)部生成還原性氣體CO，當(dāng)氣體從里往外逸出燒結(jié)體時還原流經(jīng)區(qū)域三氧化鎢粉體表面，由于生坯不同深度區(qū)域流經(jīng)的氣體總量不同，被CO氣體還原的三氧化鎢程度有所不同，原來配碳均勻的各區(qū)域在碳熱還原反應(yīng)結(jié)束后殘留碳含量也不同，從而使得燒結(jié)體形成從外往里逐漸降低的碳勢梯度。由于金屬Co相中固溶的碳含量影響其液相點，碳含量越高，其液相點越低，反之亦然。因而當(dāng)材料從表到里形成碳勢梯度時，表面區(qū)域液相Co的體積分數(shù)比芯部高，導(dǎo)致液相Co從表面向芯部方向遷移，最終形成表面粘結(jié)相Co較低而內(nèi)部粘結(jié)相Co較高的組織結(jié)構(gòu)特征，也即形成梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：(1)由于碳勢梯度是在固相燒結(jié)階段原位形成，通過碳熱還原產(chǎn)生的還原性氣體CO在燒結(jié)體中擴散更快，因此所制得的硬質(zhì)合金梯度層更厚，且從表面到芯部硬度一直連續(xù)變化，芯部韌性明顯提高；(2)本發(fā)明中三氧化鎢的碳熱還原、碳勢梯度的形成和最終的液相燒結(jié)均在一個完整的熱循環(huán)中完成，且無需在燒結(jié)后期增加滲碳處理階段，工藝流程明顯簡化；(3)本發(fā)明對生產(chǎn)設(shè)備無特殊要求，采用的原料中有成本低廉的三氧化鎢和石墨粉，顯著降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能耗和提高生產(chǎn)效率，有利于工業(yè)推廣應(yīng)用。具體實施方式以下結(jié)合實例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)效果。以下實例所采用的原料為WC粉、WO3粉、Co粉和石墨粉。表1是4種成分配方的混合料。采用實施例1-3中3種不同的工藝參數(shù)將其制備成梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，并分別測定其抗彎強度、表面硬度、芯部硬度和芯部palmqvist斷裂韌性。表1四種混合料的成分配方成分WCOCo1#76.3810.046.507.082#73.009.916.4910.603#67.0810.978.3413.614#61.6411.8910.0616.41實施例1：1、按照表1配制4種混合料；2、球磨：球磨工序在行星式球磨機中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為200rpm，時間為36h；3、添加成型劑：成型劑采用濃度為15wt.％的汽油石蠟溶液，加入量為混合料質(zhì)量的12wt.％；4、壓制成型：壓制成型所用壓力為120MPa；5、脫脂：采用氫氣脫蠟法，在燒結(jié)爐中進行，在150－450℃之間的升溫速度為0.5℃/min；6、燒結(jié)：在真空爐中進行，真空度均為1.0-10Pa，首先將脫脂后的壓坯繼續(xù)以5℃/min的速率升溫至600℃，在600-800℃階段以0.8℃/min緩慢升溫；然后以3℃/min的速率升溫至1200℃，保溫180min；最后以2℃/min的速率升溫至終燒溫度1430℃，保溫30min，得到梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金金。在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表2。表2采用工藝1制備出的不同金屬陶瓷的性能成分1#2#3#4#抗彎強度σb(MPa)2371249325202677表面硬度(HRA)91.791.190.188.8芯部硬度(HRA)86.685.784.883.5芯部斷裂韌性(MPa·m1/2)23.726.329.036.2實施例2：1、按照表1配制4種混合料；2、球磨：球磨工序在行星式球磨機中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為250rpm，時間為30h；3、添加成型劑：成型劑采用濃度為15wt.％的汽油石蠟溶液，加入量為混合料質(zhì)量的12wt.％；4、壓制成型：壓制成型所用的壓力為150MPa；5、脫脂：采用氫氣脫蠟法，在燒結(jié)爐中進行，在150－450℃之間的升溫速度為0.5℃/min；6、燒結(jié)：在真空爐中進行，真空度均為1.0-10Pa，首先將脫脂后的壓坯繼續(xù)以5℃/min的速率升溫至600℃，在600-800℃階段以0.8℃/min緩慢升溫；然后以3℃/min的速率升溫至1220℃，保溫150min；最后以2℃/min的速率升溫至終燒溫度1410℃，保溫40min，得到梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金金。在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表3。表3采用工藝2制備出的不同金屬陶瓷的性能成分1#2#3#4#抗彎強度σb(MPa)2351250326312707表面硬度(HRA)91.591.090.288.6芯部硬度(HRA)87.085.584.983.7芯部斷裂韌性(MPa·m1/2)24.226.629.537.8實施例3：1、按照表1配制4種混合料；2、球磨：球磨工序在行星式球磨機中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為300rpm，時間為24h；3、添加成型劑：成型劑采用濃度為15wt.％的汽油石蠟溶液，加入量為混合料質(zhì)量的12wt.％；4、壓制成型：壓制成型所用的壓力為180MPa；5、脫脂：采用氫氣脫蠟法，在燒結(jié)爐中進行，在150－450℃之間的升溫速度為0.5℃/min；6、燒結(jié)：在真空爐中進行，真空度均為1.0-10Pa，首先將脫脂后的壓坯繼續(xù)以5℃/min的速率升溫至600℃，在600-800℃階段以0.8℃/min緩慢升溫；然后以3℃/min的速率升溫至1240℃，保溫120min；最后以2℃/min的速率升溫至終燒溫度1390℃，保溫60min，得到梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金金。在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表4。表4采用工藝3制備出的不同金屬陶瓷的性能成分1#2#3#4#抗彎強度σb(MPa)2366247525482685表面硬度(HRA)91.691.390.088.7芯部硬度(HRA)86.985.484.683.4芯部斷裂韌性(MPa·m1/2)24.727.231.138.3當(dāng)硬質(zhì)合金混合料中粘結(jié)相Co的加入量變化時，所得梯度結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金表面硬度相對芯部硬度的提高幅度相差不大?？傊?，在本權(quán)力書取值范圍內(nèi)，其對梯度結(jié)構(gòu)的形成及梯度層的厚度影響有限。上述實施例只是用于對本發(fā)明的內(nèi)容進行闡述，而不是限制，因此在和本發(fā)明的權(quán)利要求書相當(dāng)?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何改變，都應(yīng)該認為是包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3