一种以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金及制备方法，以WC-Al

说明书

技术领域

本发明属于碳化钨基硬质合金技术领域，具体涉及一种以Ni-Al金属间化 合物为粘结相的硬质合金及其制备方法。

背景技术

目前采用金属间化合物作为硬质合金的粘结相，是提高传统硬质合金抗氧 化性和高温强度的一种很有效方法，特别是采用Ni-Al金属间化合物作为硬质 合金的粘结相具有明显的优越性，Ni-Al金属间化合物在抗氧化、防渗碳和耐磨 方面具有优越性。尤为突出的是，在800℃以下，Ni-Al金属间化合物强度随温 度升高不是连续下降，而是先随温度的升高而升高，到达一定的高温后再下降， 即屈服强度在峰值温度以下具有正温度效应。由于Ni-Al金属间化合物具有较 高的高温强度、蠕变抗力和高的比强度，且Ni-Al金属间化合物对WC的润湿性 与钴相当。因此，以Ni-Al金属间化合物作为硬质合金粘结相，经增韧增强后， 其高温性能能高于传统硬质合金。目前制备Ni-Al金属间化合物粘结相硬质合 金的一般方法有。

1烧结反应法，就是在制备硬质合金的配料工序中按比例添加铝粉、碳化钨 粉和镍粉，经湿磨、成型、烧结获得Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金， 该方法是在合金烧结的过程中铝与镍反应生成金属间化合物。该方法的优点是 工艺简单，但是主要缺点是合金烧结过程中有金属间化合物的合成反应，影响 合金的收缩致密，会造成合金内部存在孔洞，特别是对于大件的合金收缩致密 更难控制。同时由于铝易于氧化，铝粉原料中含有少量的氧化铝，在硬质合金 制备过程中也会由于氧化形成少量氧化铝，这些氧化铝最终会残留在硬质合金 中，形成硬质合金的脆性断裂源。在Ni-Al金属间化合物反应过程中，铝会发 生迁移，最终造成Ni-Al金属间化合物粘结相分布不均匀。

2金属间化合物预合金化法，就是先制备Ni-Al金属间化合物预合金粉，再 在制备硬质合金的配料工序加入预合金粉和碳化钨粉，经湿磨、成型、烧结获 得Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金。该方法在合金烧结过程中没有金 属间化合物的合成反应，合金的致密性得到保证。但是仍然存在一些不足，由 于制备金属间化合物预合金粉的温度较低，因此铝粉原料中存在的少量氧化铝 和制备预合金粉过程形成的少量氧化铝无法被还原，这部分氧化铝同样会残留 在硬质合金中，形成硬质合金的断裂源，同时在制备金属间化合物预合金粉的 过程中形成团粒，造成硬质合金中粘结相分布均匀性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金及 其制备方法，Ni-Al金属间化合物粘结相在合金中分布均匀，无残留氧化铝相。

本发明的以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金的制备方法，以WC-Al₄W 预合金粉作为前驱体，WC-Al₄W预合金粉由WC相和Al₄W相组成，由碳化钨粉、镍 粉、所述WC-Al₄W预合金粉和炭黑经烧结形成以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬 质合金。

上述硬质合金，其粘结相为单一NiAl粘结相，或单一Ni₃Al粘结相，或 NiAl-Ni₃Al联合粘结相，或Ni₃Al-Ni联合粘结相。

上述粘结相在硬质合金中的质量百分含量为5-30%。

以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备WC-Al₄W预合金粉；

（2）根据合金粘结相的成分比例，将所述步骤（1）制备的WC-Al₄W预合金 粉、碳化钨粉、镍粉和炭黑加入球磨机中，进行湿磨；

（3）将湿磨后的物料进行喷雾干燥，然后压制成压坯；

（4）将压坯置于烧结炉中在1410～1550℃条件下进行烧结，获得以Ni-Al 金属间化合物为粘结相的硬质合金。

步骤（1）所述的WC-Al₄W预合金粉制备过程如下：将铝粉、钨粉和炭黑置于 球磨机中混合均匀，将混合粉末置于碳化炉中，在非氧化性气氛条件下，进行 碳化和Al₄W金属间化合物合成反应，碳化合成温度为1800℃，保温3h，碳化合 成完成后经球磨、过筛，获得WC-Al₄W预合金粉。

用本发明方法制备的以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金，硬质相为 WC，粘结相为单一NiAl粘结相，或单一Ni₃Al粘结相，或NiAl-Ni₃Al联合粘结相， 或Ni₃Al-Ni联合粘结相。所述粘结相在硬质合金中的质量百分含量为5-30%。

由于预合金粉制备过程中，经过了还原气氛下的高温碳化处理，因此铝粉 原料中存在的少量氧化铝被还原成单质铝，这部分单质铝经反应生成金属间化 合物Al₄W，Al₄W具有抗氧化性，因此在随后的合金制备过程中不会再生成新的氧 化铝，从而避免了硬质合金中残留有氧化铝。WC-Al₄W预合金粉中的Al₄W金属间 化合物均匀分布于WC颗粒中，而且Al₄W的粒度细，因此在硬质合金烧结过程中， Al₄W金属间化合物与镍反应生成相应的Ni-Al金属间化合物，不会形成孔洞，利 于硬质合金的致密化，而且使硬质合金中Ni-Al金属间化合物粘结相分布均匀。

本发明克服了普通Ni-Al金属间化合物粘结相硬质合金制备方法存在的氧 化铝残留、粘结相分布不均匀和合金不致密的问题。用本发明方法制备的以 Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金粘结相分布均匀、致密度高、合金强度 高，粘结相中无氧化铝残留，避免了由于氧化铝存在而产生的脆性断裂源，高 温综合性能及高温抗氧化性能优异，提高了合金的使用性能。本发明的制备工 艺简单，质量易于控制，生产成本低，有利于大规模生产。

附图说明

图1是本发明所采用制备工艺的流程图。

图2是实施例1的典型X射线衍射分析结果。

图3是实施例6的典型金相分析结果。

图4是实施例6的典型X射线衍射分析结果。

具体实施方式

本发明所用WC-Al₄W预合金粉按现有方法制备，所用WC-Al₄W预合金粉为Al₄W 金属间化合物含量为35%的WC-Al₄W预合金粉，其他含量配比的WC-Al₄W预合金粉 也是可以的，只是为达到相同的粘结相的成分和比例所对应的碳化钨粉、镍粉 和炭黑的用量会不同。

实施例一：按下述步骤制备以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金， 本发明所采用制备工艺的流程参见图1：

（1）WC-Al₄W预合金粉的制备：按金属间化合物Al₄W在WC-Al₄W预合金粉中质 量百分比为35%计算，将质量百分比为12.95%的铝粉，83.06%的钨粉和3.99% 的炭黑置于球磨机中球磨混合5h。将混合后的粉末置于碳化炉中，真空或压力 不高于30KPa的非氧化性气氛下，进行碳化和Al₄W金属间化合物合成反应，碳化 合成温度为1800℃，保温3h，非氧化性气氛下冷却后将碳化合成好的物料置于 球磨机中进行干磨6h，球磨后的物料进行120目筛分处理，获得Al₄W金属间化 合物含量为35%的WC-Al₄W预合金粉；

（2）根据合金粘结相的含量配比，将质量百分比84.24%为碳化钨粉，3.42% 的镍粉，12.16%的上述WC-Al₄W预合金粉和0.18%的炭黑置于球磨机中进行湿磨， 湿磨介质为无水酒精，湿磨时间50h；

（3）将湿磨后的物料进行喷雾干燥，压制成型，获得合金压坯；

（4）将压坯置于烧结炉中在1550℃温度下进行低压液相烧结，烧结压力 6MPa，烧结时间5h，烧结完成后获得以NiAl金属间化合物为粘结相的硬质合金， 粘结相质量百分含量为5%，合金密度14.34g/cm³，硬度HRA93.3，抗弯强度1260 MPa。典型X射线衍射分析（如图2）结果表明合金为WC相和NiAl相两相，WC和NiAl 结晶完整。

按实施例一的方法制备实施例二-十二的WC-Al₄W预合金粉和NiAl金属间化 合物为粘结相的硬质合金，其不同之处在于制备硬质合金的原料配比、工艺参 数和获得的硬质合金各项参数，详见表1。其中实施例6的典型金相分析结果如 图3所示，典型X射线衍射分析结果如图4所示。

表1