B4C作为弥散强化添加剂的细晶WC-Co硬质合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种制备以B4C作为添加剂的细晶WC-Co硬质合金材料的方法：按比例称取WC（0.6-0.8um，质量纯度为99.9%）、Co（0.6-0.8um，质量纯度为99.9%）粉，在球磨罐中以400-450转/分的转速高速球磨45-50小时（球磨介质为无水乙醇，磨球为WC球）。按一定的体积分数(5%-10%)加入B4C（0.6-0.8um，质量纯度>99.9%）粉末，以100-150转/分的转速均匀混合20-24小时。将干燥好的原料装入石墨模具，置于热压烧结炉内以15-20oC/min速度升温至1100-1200oC，加压至5-10MPa，再以10-15oC/min速度升温至1300-1350oC并加压至20-25MPa，保温保压1.5-2h，随后卸压并随炉冷却。这样即可获得高硬度高强度的硬质合金，该发明原材料成本低廉，对设备要求不高，传统热压烧结炉即可满足要求，易于高硬度高强度硬质合金的大规模生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备WC-Co硬质合金材料的方法，具体是制备以B₄C作为弥散强化添加剂的细晶WC-Co硬质合金的方法。

背景技术

WC-Co硬质合金由于其杰出的耐磨性能及高硬度、高强度特性，被广泛应用于切削刀具、采矿工具、室友钻井的钻头、耐磨部件和模具。随着对硬质合金工具性能要求的不断提高，研究人员发现：要提高产品的硬度、耐磨性和耐蚀性,需要增加WC的含量；要提高产品的强度、韧性和加工性能,需要增加Co的含量,这在提高硬度和强度之间产生了矛盾。为此人们已经开始采用更细的粉末,因为研究表明:当WC晶粒尺寸减少到亚微米以下时,材料的硬度、韧性、强度、耐磨性都能得到提高,同时达到完全致密化所需的温度比较低。因此,由传统硬质合金向细晶硬质合金的发展已成为当今硬质合金行业的一大趋势。

碳化硼(B₄C)属于共价键化合物，是已知最坚硬的三种材料之一(其他两种为金刚石、立方氮化硼)，具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点，是耐磨材料、陶瓷增强相。B₄C以微米级颗粒的形式添加在硬质合金中，可以提高硬质合金的硬度和强度，此外，和金刚石和cBN相比，B₄C制造容易、成本低廉，因此B₄C作为弥散强化添加剂引入WC-Co硬质合金中越来越吸科学界的关注。

经过现有技术的文献检索发现，公开号为CN104073665A的中国专利公开了一种WC-Co-cBN复合材料的制备方法，该方法以WC、金属Co粉末和cBN为原料，以无水乙醇为球磨介质，Al₂O₃球为磨球，将原料均匀混合，最后通过热压烧结成硬质合金。该方法的不足之处在于：cBN虽然具有较高的硬度，但价格昂贵成本过高且Al₂O₃球作为磨球在球磨过程中会污染粉体给硬质合金引入杂质，实验表明相同的温度下B₄C比cBN具有更好的烧结性且B₄C制造容易成本低廉更易大规模生产。经文献检索还发现，V.Martinez等在美国陶瓷学会杂志(2007年90卷，第415页—424页)发表了热等静压制备WC-Co硬质合金的方法，但是国产热等静压设备技术落后安全性能没有保障，国外热等静压设备价格十分昂贵且大型设备限制对华出口，不利于大规模生产。

通过检索现有专利和文献，未发现B₄C作为弥散强化添加剂的细晶WC-Co硬质合金材料的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制备以B₄C作为弥散强化添加剂的细晶WC-Co硬质合金的方法。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

按比例称取WC(0.6-0.8um，质量纯度为99.9％)、Co(0.6-0.8um，质量纯度为99.9％)粉，在球磨罐中以400-450转/分的转速高速球磨45-50小时(球磨介质为无水乙醇，磨球为WC球)。按一定的体积分数(5％-10％)加入B₄C(0.6-0.8um，质量纯度>99.9％)粉末，以100-150转/分的转速均匀混合20-24小时。将干燥好的原料装入石墨模具，置于热压烧结炉内以15-20℃/min速度升温至1100-1200℃，加压至5-10MPa，再以10-15℃/min速度升温至1300-1350℃并加压至20-25MPa，保温保压1.5-2h，随后卸压并随炉冷却。

这样即可获得高硬度高强度的硬质合金，该发明原材料成本低廉，对设备要求不高，传统热压烧结炉即可满足要求，易于高硬度高强度硬质合金的大规模生产。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

按比例称取WC、Co粉，WC和Co的质量比为96:4，在球磨罐中以400-450转/分的转速高速球磨45-50小时(球磨介质为无水乙醇，磨球为WC球)。加入占原料体积分数为5％的B₄C(0.6-0.8um，质量纯度>99.9％)粉末，以100-150转/分的转速均匀混合20-24小时。将干燥好的原料装入石墨模具，置于热压烧结炉内以15-20℃/min速度升温至1100-1200℃，加压至5-10MPa，再以10-15℃/min速度升温至1300-1350℃并加压至20-25MPa，保温保压1.5-2h，随后卸压并随炉冷却。

经检测硬度为18.5GPa，断裂韧性4.9MPam^1/2抗弯强度为610.8MPa.

实施例2：

按比例称取WC、Co粉，WC和Co的质量比为94:6，在球磨罐中以400-450转/分的转速高速球磨45-50小时(球磨介质为无水乙醇，磨球为WC球)。加入占原料体积分数为7.5％的B₄C(0.6-0.8um，质量纯度>99.9％)粉末，以100-150转/分的转速均匀混合20-24小时。将干燥好的原料装入石墨模具，置于热压烧结炉内以15-20℃/min速度升温至1100-1200℃，加压至5-10MPa，再以10-15℃/min速度升温至1300-1350℃并加压至20-25MPa，保温保压1.5-2h，随后卸压并随炉冷却。

经检测硬度为19.6GPa，断裂韧性5.3MPam^1/2抗弯强度为670.5MPa.

实施例3：

按比例称取WC、Co粉，WC和Co的质量比为92:8，在球磨罐中以400-450转/分的转速高速球磨45-50小时(球磨介质为无水乙醇，磨球为WC球)。加入占原料体积分数为10％的B₄C(0.6-0.8um，质量纯度>99.9％)粉末，以100-150转/分的转速均匀混合20-24小时。将干燥好的原料装入石墨模具，置于热压烧结炉内以15-20℃/min速度升温至1100-1200℃，加压至5-10MPa，再以10-15℃/min速度升温至1300-1350℃并加压至20-25MPa，保温保压1.5-2h，随后卸压并随炉冷却。

经检测硬度为20.3GPa，断裂韧性5.9MPam^1/2抗弯强度为720.4MPa.

上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。