一种大长径比的超细晶硬质合金台阶状棒材及制备方法

摘要

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种大长径比的超细晶硬质合金台阶状棒材及制备方法。所述制备方法包括以下步骤：(1)将超细碳化钨粉末和钴粉混合研磨得到混合料粉体；(2)将混合料粉体和由石蜡-低分子耦合剂-高分子聚合物组成的多组元粘结剂均匀混合制备出喂料；(3)将喂料在注射成形机上注射出成形坯；(4)对注射成形坯依次进行溶剂脱脂和热脱脂；(5)烧结得到所述超细晶硬质合金台阶状棒材。所制备的超细晶硬质合金台阶状棒材合金孔隙率小，具有高硬度和高强度，直径和尺寸偏差在±0.03mm。

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种大长径比的超细晶硬质合金台阶状棒材及制备方法。

背景技术

超细晶(WC晶粒度≤0.5μm)WC-Co硬质合金具有高强度、高硬度和高耐磨性，广泛应用于机加工刀具、模具和耐磨零件，包括金属切削刀具、拉丝和冲压成形模具、密封环、喷嘴等领域。随着超细晶硬质合金压制成形-烧结技术的逐渐成熟，其后续加工工序多、难度大、成本高等问题日益突出。

对于大长径比、形状结构复杂的整体旋转切削刀具的制造(如硬质合金钻头、立铣刀、丝锥等)，由于其具有螺纹、内孔等复杂结构，无法直接通过常规粉末冶金方法得到。目前，普遍采用压制-烧结或挤压-烧结工艺制得超细硬质合金棒材，主要依靠后期磨削和研磨加工得到成品，其加工难度大、加工工序多、成本高昂。

粉末注射成形(PIM)的主要优点在于能实现形状复杂零件的低成本精密成形，能精确制造具有复杂形状特征的高性能零件，如各种外部切槽、外螺纹、锥形内表面和外表面、交叉孔和盲孔等，而具有以上特征的零件均无法通过常规粉末冶金方法得到。

目前，将粉末注射成形技术应用于超细晶硬质合金材料尚存在一系列问题。首先，超细硬质合金喂料强度和密度低、流动性差，其注射过程是一个非牛顿流体的非等温、非均匀、非稳态复杂流动过程，表现出流动性差、凝固速度快，易造成型腔充填不满，毛坯易断裂，易出现欠注、孔洞、变形、断裂、毛边、夹心、密度梯度、表面缺陷和生坯单重不一等结构缺陷。其次，注射坯脱脂过程是一个精细而复杂的物理化学过程，粉末粒度影响其脱脂机制，在脱脂过程中保证脱脂坯的尺寸形状和合理碳含量十分关键。最后，超细晶硬质合金烧结已经逐渐成熟，但具有高效收缩率的超细晶WC-Co合金的稳定获得依然存在很大挑战。

如能实现超细晶硬质合金台阶状棒材的PIM近净成形，将产生重要的经济效益和环境效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种大长径比的超细晶硬质合金台阶状棒材及制备方法，通过以下技术方案来实现：

一种大长径比的超细晶硬质合金台阶状棒材的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含有晶粒长大抑制剂(0.3wt％～1.0wt％)的超细碳化钨粉末和钴粉按比例加入球磨筒，湿磨24h～100h，出料后真空干燥或雾化干燥，得到混合料粉体；其中超细碳化钨粉末的BET粒度为0.15μm～0.60μm；

(2)在真空捏合机中按比例先后加入步骤(1)得到的混合料粉体和蜡基粘结剂，搅拌均匀，配制成粉末装载量为45％～57％的均匀喂料；

(3)注射成形：将步骤(2)得到的喂料在注射成形机上注射出成形坯；

(4)溶剂脱脂-热脱脂：将步骤(3)得到的成形坯进行溶剂脱脂-热脱脂，依次将溶剂和蜡基粘结剂脱除，得到脱脂坯；

(5)烧结：将步骤(4)得到的脱脂坯在真空脱蜡烧结一体炉或加压烧结炉中烧结，得到超细晶硬质合金台阶状棒材。

进一步地，所述晶粒长大抑制剂为碳化钒(VC)、碳化铬(Cr₃C₂)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)中的一种或一种以上。

进一步地，所述超细碳化钨粉末和钴粉的质量百分比为(96:4)～(85:15)。

进一步地，所述蜡基粘结剂由石蜡、高分子聚合物和低分子耦合剂组成；各组分的构成及质量百分含量为：石蜡为泰尔硬质合金高纯石蜡，占60％～70％；高分子聚合物为高密度聚乙烯、聚丙烯、低密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种或一种以上，共占20％～40％；低分子耦合剂为硬脂酸、邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁酯中的一种或一种以上，共占5％～15％。

进一步地，步骤(2)的具体操作为：a.在真空捏合机中加入高分子聚合物，每隔5min分三批次加入混合料粉体；b.分两批次加入泰尔硬质合金高纯石蜡；c.加入低分子耦合剂；混炼温度为120～150℃，混炼时间为2～4h。

进一步地，步骤(3)中，注射成形时，注射温度为120℃～165℃，注射压力为20MPa～120Mpa；所述成形坯尺寸为φ2.8mm×(4～10mm)/φ2.2mm×(10～26mm)。

进一步地，步骤(4)中，溶剂脱脂时，溶剂为汽油或正庚烷，溶剂温度为30℃～45℃，脱脂率为50％～68％；热脱脂时，最高温度和保温时间分别为500℃～650℃、30min～120min，保护气氛为H₂、N₂、Ar中的一种或一种以上。

根据上述制备方法得到的一种大长径比的超细晶硬质合金台阶状棒材，所述大长径比的超细晶硬质合金台阶状棒材的合金孔隙率A02B00C00，WC晶粒度为0.20μm～0.40μm，直径和长度尺寸偏差为±0.03mm。

本发明的有益效果为：本发明克服了传统粉末冶金模压成形和现有粉末注射成形的不足，不仅可以用来制备大长径比的水刀喷砂管、丝锥、铣刀等具有复杂形状的硬质合金近净成形产品，而且有效解决了现有技术中的喂料分布不均和尺寸控制等关键技术；本发明不仅节约了宝贵的矿产资源，而且大大降低了加工难度，具有良好的经济效益和环境效益。

附图说明

图1：本发明中的一种超细硬质合金注射坯形状示意图，图1中所示数值为实际模具尺寸；

图2：本发明实施例1中超细晶WC-10Co硬质合金棒材的微观结构组织图；

图3：本发明实施例2中超细晶WC-12Co硬质合金棒材的微观结构组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

一种大长径比的超细晶WC-10Co硬质合金台阶状棒材的制备方法：

(1)将含有碳化钒(VC，0.35wt％)、碳化铬(Cr₃C₂，0.45wt％)的超细碳化钨粉末和钴粉按比例加入球磨灌，湿磨30h，出料后真空干燥，过筛320目，得到混合料粉体；其中超细碳化钨粉末BET粒度为0.60μm，Co含量为10％；

(2)选取蜡基粘结剂的各组分构成及各组分的质量百分含量为：蜡为泰尔硬质合金高纯石蜡，共占63％；高分子聚合为高密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物，共占30％；低分子耦合剂为硬脂酸、邻苯二甲酸二辛脂，共占7％。

(3)在真空捏合机中将步骤(2)的蜡基粘结剂与步骤(1)得到的混合料粉体进行混炼：首先加入高分子聚合物，每隔5min分三批次加入步骤(1)得到的混合料粉体，其次，分两批次加入(2)中所述的泰尔硬质合金高纯石蜡，最后加入低分子耦合剂，混炼温度为150℃，混炼时间为3h，得到混合料粉体装载量为49％的均匀喂料；

(4)将步骤(3)得到的喂料在注射成形机上注射出成形坯，坯注射温度为145℃，注射压力为100MPa，成形坯尺寸为φ2.8mm×10mm/φ2.2mm×26mm；

(5)将步骤(4)得到的注射坯进行溶剂脱脂-热脱脂后得到脱脂坯。溶剂脱脂过程中，溶剂为正庚烷；溶剂温度为40℃，其脱脂率在65％左右；热脱脂过程中，最高温度和其保温时间分别为550℃、60min，保护气氛为H₂；

(6)将步骤(5)得到的脱脂坯在真空气氛烧结一体炉中烧结，得到超细晶WC-10Co硬质合金台阶状棒材。

本实施例1中的超细晶WC-10Co硬质合金台阶状棒材的微观结构如图2所示，WC的晶粒度为0.29μm，合金孔隙率A02B00C00，HV₁₀硬度为1728，抗弯强度强度为1810MPa，直径和长度尺寸偏差为±0.03mm。

实施例2

一种大长径比的超细晶WC-12Co硬质合金台阶状棒材的制备方法：

(1)将含有碳化铬(Cr₃C₂，0.35wt％)的超细碳化钨粉末和钴粉按比例加入球磨灌，湿磨48h，出料后真空干燥，过筛320目，得到混合料粉体；其中超细碳化钨粉末BET粒度为0.32μm，Co含量为12％；

(2)选取蜡基粘结剂的各组分构成及各组分的质量百分含量为：蜡为泰尔硬质合金高纯石蜡，共占63％；高分子聚合为高密度聚乙烯、聚丙烯，共占30％；低分子耦合剂为硬脂酸、邻苯二甲酸二辛脂，共占7％。

(3)在真空捏合机中将步骤(2)的蜡基粘结剂与步骤(1)得到的混合料粉体进行混炼：首先加入高分子聚合物，每隔5min分三批次加入步骤(1)得到的混合料粉体，其次，分两批次加入(2)中所述的泰尔硬质合金高纯石蜡，最后加入低分子耦合剂，混炼温度为150℃，混炼时间为3h，得到混合料粉体装载量为49％的均匀喂料；

(4)将步骤(3)得到的喂料在注射成形机上注射出成形坯，坯注射温度为140℃，注射压力为80MPa，成形坯尺寸为φ2.8mm×10mm/φ2.2mm×26mm；

(5)将步骤(4)得到的注射坯进行溶剂脱脂-热脱脂后得到脱脂坯。溶剂脱脂过程中，溶剂为正庚烷；溶剂温度为35℃，其脱脂率在65％左右；热脱脂过程中，最高温度和其保温时间分别为500℃、90min，保护气氛为N₂和H₂；

(6)将步骤(5)得到的脱脂坯在真空气氛烧结一体炉中烧结，得到超细晶WC-12Co硬质合金台阶状棒材。

本实施例2中的一种大长径比的超细晶WC-12Co硬质合金台阶状棒材的微观结构如图3所示，WC的晶粒度为0.28μm，合金孔隙率A02B00C00，HV₁₀硬度为1591，抗弯强度强度为1449MPa，直径和长度尺寸偏差为±0.03mm。