一种二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金及其制备方法

摘要

一种二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金及其制备方法，涉及合金技术领域，硬质合金包括基体和包覆层；基体的主要成分为碳化钨、碳化钛、碳化钽和钴，包覆层为SiO2非晶纳米层，SiO2非晶纳米层的厚度为50-200nm。一种二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金的制备方法，制备步骤如下：（1）取料，混合均匀；（2）高温碳化；（3）研磨至粉料；（4）化学气相沉积；（5）高温煅烧。本发明提供的二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金及其制备方法，经包覆后的硬质合金材料具有较高的致密度及硬度，强度和韧性也得到提升，耐高温性能更为理想，作为高速切削刀具，其切削速度得到提高，并且有效的延长了刀具的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于合金技术领域，特别涉及一种高致密度、高性能的钨钛钽钴硬质合金切削刀 具材料及其制备方法。

背景技术

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材 料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别 是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬 度。硬质合金刀具比高速钢切削速度高4-7倍，刀具寿命高5-80倍。制造模具、量具，寿命 比合金工具钢高20-150倍，可切削50HRC左右的硬质材料。

现今，硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸 铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈 钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。

钨钛钽钴合金又称通用硬质合金或万能硬质合金，具有较高的硬度、强度和韧性。

申请号为02139711.2的专利文献“钨钴钛硬质合金的制备方法”，公开了一种钨钴钛合 金的制备方法，包括将WC-TiC的复式碳化物与WC粉、Co粉经配料、球磨、干燥、掺成型剂、 压制成型和烧结等步骤，复式碳化物中TiC与WC的重量比为30：70～40：60，WC粉的粒度 为(1.2～1.8)μm，在配料时Co的含量为(5.8～6.3)wt％，并加入(0.5～2.0)wt％的Ni。由 此可知，该方法制备的钨钴钛硬质合金，合金的韧性和抗弯强度都得到提高，但是材料的致 密度和硬度较低，耐高温性能较差，不能作为高速切削刀具，只能作为粗加工或半精加工的 刀具。

申请号为201010553047.2的专利文献“高韧性超粗晶钨钴硬质合金的制备方法”，公开 了一种钨钴硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤；配料、湿磨、干燥、预烧处理、湿 混、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结；配料时选用钴粉和碳化钨粉 进行混合配料，钴粉与碳化钨粉的质量之比为2.4～2.6：97.4～97.6；将预烧处理后的混合 料再加入金属钴粉和Co₂W₄C纳米颗粒，混合料中的钴与碳化钨的质量之比为8～13：87～92， Co2W4C纳米颗粒的加入量要达到使混合料中的钴与Co₂W₄C纳米颗粒的质量之比为1：0.045～ 0.055。由此可知，由于合金材料的任性和强度都较高，但是同样材料的致密度不高，在高温 下不利于长期使用。

发明内容

本发明解决的技术问题：针对现有技术的缺陷，克服现有技术的不足，本发明提供一种 二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金及其制备方法。

本发明的技术方案：一种二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金：

硬质合金包括基体和包覆层；

基体的主要成分为碳化钨、碳化钛、碳化钽和钴，其中钴的质量含量为3.5-9.5％，碳化 钽的质量含量为5-10％，碳化钛的质量含量为12-25％，余量为碳化钨；

包覆层为SiO₂非晶纳米层，SiO₂非晶纳米层的厚度为50-200nm。

作为优选，碳化钛的质量含量为15-20％。

作为优选，SiO₂非晶纳米层的厚度为60-120nm。

一种二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金的制备方法，制备步骤如下：

(1)根据含量比例称取碳化钨、二氧化钛、氧化钽和超细钴粉，混合均匀；

(2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度1800℃-2300℃，时间1-3h；

(3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，研磨至粉料，平均粒径为1-5um；

(4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空，预热至600-800℃，以二氧化硅前驱体 为原料，控制原料的蒸发温度为90-120℃，通入氩气，反应室旋转速率为30-60r/min，反应 时间20-60min，反应结束后，待冷却至室温，取出；

(5)收集包覆后的粉体，混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1150-1600℃，时间 1-3h，待冷却至室温，取出，即得到二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金。

作为优选，二氧化硅前驱体为正硅酸乙酯。

作为优选，步骤(4)化学气相沉积反应中抽真空至10-50Pa。

作为优选，步骤(4)化学气相沉积反应中通入的氩气的气体流量为10-50sccm。

作为优选，步骤(4)化学气相沉积反应中原料的蒸发温度为90-100℃。

有益效果：本发明提供的二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金及其制备方法，采用高温碳 化法和化学气相沉积技术，首先，将WC、钴粉和钛及钽的氧化物进行高温碳化，碳化之后， 钛及钽以碳化物的形态出现；其次，将混合材料研磨至粉体，对粉体进行二氧化硅包覆，包 覆之后的混合粉体经高温煅烧之后形成硬质合金材料。经包覆后的硬质合金材料具有较高的 致密度及硬度，强度和韧性也得到提升，耐高温性能更为理想，作为高速切削刀具，其切削 速度得到提高，并且有效的延长了刀具的使用寿命。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理 解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1：

根据本发明提供的二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金的制备方法制备二氧化硅包覆的钨 钛钽钴硬质合金，制备步骤如下：

(1)将碳化钨75wt％、二氧化钛14wt％、氧化钽6wt％和超细钴粉5wt％，混合均匀；

(2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200℃，时间2h；

(3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，研磨至粉料，平均粒径为3um；

(4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至30Pa，预热至700℃，以正硅酸乙酯为 原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，氩气气体流量为20sccm，反应室旋转速率 为30r/min，反应时间45min，反应结束后，待冷却至室温，取出；

(5)收集包覆后的粉体，混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1500℃，时间2h， 待冷却至室温，取出，即得到二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金。

制备的硬质合金中基体平均粒径3um，SiO₂非晶纳米层的厚度为80nm。

实施例2：

根据本发明提供的二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金的制备方法制备二氧化硅包覆的钨 钛钽钴硬质合金，制备步骤如下：

(1)将碳化钨60wt％、二氧化钛22wt％、氧化钽8wt％和超细钴粉10wt％，混合均匀；

(2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200℃，时间2h；

(3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，研磨至粉料，平均粒径为3um；

(4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至30Pa，预热至800℃，以正硅酸乙酯为 原料，控制原料的蒸发温度为120℃，通入氩气，氩气的气体流量为30sccm，反应室旋转速 率为30r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；

(5)收集包覆后的粉体，混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1550℃，时间2h， 待冷却至室温，取出，即得到二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金。

制备的硬质合金中基体平均粒径3um，SiO₂非晶纳米层的厚度为150nm。

实施例3：

根据本发明提供的二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金的制备方法制备二氧化硅包覆的钨 钛钽钴硬质合金，制备步骤如下：

(1)将碳化钨68wt％、二氧化钛16wt％、氧化钽8wt％和超细钴粉8wt％，混合均匀；

(2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200℃，时间2h；

(3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，研磨至粉料，平均粒径为3um；

(4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至10Pa，预热至700℃，以正硅酸乙酯为 原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，氩气的气体流量为40sccm，反应室旋转速 率为60r/min，反应时间45min，反应结束后，待冷却至室温，取出；

(5)收集包覆后的粉体，混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1550℃，时间2h， 待冷却至室温，取出，即得到二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金。

制备的硬质合金中基体平均粒径3um，SiO₂非晶纳米层的厚度为200nm。

实施例4：

根据本发明提供的二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金的制备方法制备二氧化硅包覆的钨 钛钽钴硬质合金，制备步骤如下：

(1)将碳化钨70wt％、二氧化钛16wt％、氧化钽7wt％和超细钴粉7wt％，混合均匀；

(2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200℃，时间2h；

(3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，研磨至粉料，平均粒径为2um；

(4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至30Pa，预热至700℃，以正硅酸乙酯为 原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，氩气的气体流量为20sccm，反应室旋转速 率为45r/min，反应时间40min，反应结束后，待冷却至室温，取出；

(5)收集包覆后的粉体，混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1550℃，时间2h， 待冷却至室温，取出，即得到二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金。

制备的硬质合金中基体平均粒径2um，SiO₂非晶纳米层的厚度为100nm。

实施例5：

根据本发明提供的二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金的制备方法制备二氧化硅包覆的钨 钛钽钴硬质合金，制备步骤如下：

(1)将碳化钨65wt％、二氧化钛20wt％、氧化钽8wt％和超细钴粉7wt％，混合均匀；

(2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200℃，时间2h；

(3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，研磨至粉料，平均粒径为4um；

(4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至700℃，以正硅酸乙酯为 原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，氩气的气体流量为30sccm，反应室旋转速 率为60r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；

(5)收集包覆后的粉体，混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1550℃，时间2h， 待冷却至室温，取出，即得到二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金。

制备的硬质合金中基体平均粒径2um，SiO₂非晶纳米层的厚度为120nm。

根据申请号为201010553047.2的专利文献“高韧性超粗晶钨钴硬质合金的制备方法”公 开的技术方案制备高韧性超粗晶钨钴硬质合金，为对照组；将上述实施例和对照组采用维氏 硬度压痕法测试合金的硬度和断裂韧性，拉伸法测试材料的强度，结果如表1所示：

表1硬质合金的性能测定

项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对照组 致密度/％ 97.8 98.5 99.2 98.2 98.3 95.6 硬度/GPa 33 32 35 34 34 30 韧性/MPa m^1/212.8 13.1 13.7 13.1 13.4 11.2 强度 1320 1350 1380 1330 1350 1200

由上表可知，实施例1-5硬质合金的致密度较高，其中实施例3已超过99％，非常理想， 对照组的致密度较差；在硬度上，实施例1-5均高于对照组，但差异不明显；韧性和强速上， 实施例1-5明显优于对照组，性能非常优良，其中对照组3的性能最为优异。

综上所述，本发明二氧化硅包覆的钨钛钽钴硬质合金及其制备方法，提供的硬质合金材 料具有高致密度，且强度和韧性均达到十分优良的水平。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些 实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理 可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被 限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。