《一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法》是成都邦普合金材料有限公司於2015年2月12日申請的專利，該專利公布號為CN104630533A，公布日為2015年5月20日，發明人是李克林。
《一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法》所述複合硬質合金材料由下列重量份數的組分製得：按如下重量份準備原材料：納米碳化鈦35-40份、納米氮化鈦5-15份、碳化鎢7-9份、碳化鈮5-8份、碳化矽3-7份、鈷粉3-5份、氧化釔1-3份、碳化硼1-3份、銅粉1-5份。該方法包括如下步驟：備料、製備貧碳合金粉末、製備預燒結基體、滲碳處理和分步燒制。該發明製備的複合硬質合金強度高、韌性好、耐磨、熱衝擊性能好。
2021年11月，《一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法》獲得2020年度四川專利獎創新創業獎。
基本介紹
- 中文名：一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法
- 公布號：CN104630533A
- 公布日：2015年5月20日
- 申請號：2015100725759
- 申請日：2015年2月12日
- 申請人：成都邦普合金材料有限公司
- 地址：四川省成都市高新西區百草路16號附1號
- 發明人：李克林
- 分類號：C22C1/05(2006.01)I、C22C29/02(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
硬質合金套用於製造業的加工刀具，具有硬度高、良好的高溫性能和優秀的耐磨性能，號稱工業的牙齒。做為金屬切削用合金隨著組分變化衍生出針對各種材質牌號。 碳化鎢基硬質合金由於其高強度、高硬度、高耐磨性和高紅硬性，被廣泛地用作切削刀具、礦山工具和耐磨零件等，從衝擊韌性和耐磨性綜合要求而言，低鈷粗晶粒合金結構能滿足這種要求。
截至2015年2月，金屬陶瓷已歷經三代，第一代是“二戰”期間，德國以Ni粘結TiC生產金屬陶瓷；第二代是20世紀60年代美國福特汽車公司添加Mo到Ni粘結相中改善TiC和其他碳化物的潤濕性，從而提高材料的韌性；第三代金屬陶瓷則將氮化物引入合金的硬質相，改單一相為複合相。又通過添加Co相和其他元素改善了粘結相。金屬陶瓷研製的另一個新方向是硼化物基金屬陶瓷。由於硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔點和優良的導電性，耐腐蝕性，從而使硼化物基金屬陶瓷成為最有發展前途的金屬陶瓷。但是2015年2月之前，中國對金屬陶瓷在性能方面的改進仍不理想，2015年2月之前的金屬陶瓷的洛氏硬度和抗彎強度仍有待進一步提高。
Ti（C，N）基金屬陶瓷是一類以Ti（C，N）粉或TiC與TiN的混合粉為硬質相主要原料，以Co、Ni、Mo等金屬為粘接相原料，且通常還加入有WC、TaC、NbC、Mo2C、VC、Cr3C2等過渡族金屬碳化物為添加劑經過粉碎、混合—模壓—燒結所形成的複合材料，主要用於製造切削工具。
與傳統的WC-Co硬質合金相比，Ti（C，N）基金屬陶瓷具有如下優點：高的紅硬性、高溫抗氧化性能好、高的熱導率。這些性能使得Ti（C，N）基金屬陶瓷更適於進行高速切削和對材料的精加工和半精加工。但是，與WC-Co硬質合金相比，Ti（C，N）基金屬陶瓷較低的強韌性卻極大地限制了它作為刀具材料的套用。
發明內容
專利目的
《一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法》的目的在於提供一種強度高、韌性好、耐磨、熱衝擊性能好的一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法。
技術方案
《一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法》包括如下步驟：
（1）備料
按如下重量份準備原材料：納米碳化鈦35-40份、納米氮化鈦5-15份、碳化鎢7-9份、碳化鈮5-8份、碳化矽3-7份、鈷粉3-5份、氧化釔1-3份、碳化硼1-3份、銅粉1-5份。
（2）製備貧碳合金粉末
將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化矽、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，乾式球磨混合均勻後，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末；
（3）製備預燒結基體將上述貧碳合金粉末壓製成型，真空燒結，得到貧碳預燒結基體；
（4）滲碳處理將預燒結基體置於氫氣氣氛中，在1420-1450℃進行滲碳處理60-100分鐘，得到滲碳後的硬質合金。
（5）分步燒制
第一步：將滲碳後的硬質合金球磨至粒度為0.1-5微米的粉末，末裝入硬質合金模具預壓，然後放入放電等離子燒結設備中進行低溫高壓預燒結，採用如下工藝參數：在燒結壓力100-300兆帕下，溫度從室溫升至100℃，升溫速率為10-50℃/分鐘，在100℃保溫10-30分鐘；保溫結束後，溫度由100℃升至300℃，升溫速率為10-50℃/分鐘，在300℃下保溫10-30分鐘；保溫結束後，增加燒結壓力至300-500兆帕，在此壓力下溫度由300℃升至500-700℃，升溫速率為10-100℃/分鐘，在500-700℃溫度下保溫30-60分鐘；
第二步：將第一步得到的硬質合金模具中預燒結後的塊體裝入高強石墨模具中，放入放電等離子燒結設備中進行第二步緻密化燒結，採用的工藝參數為：燒結壓力為70-240兆帕，升溫速率為50-100℃/分鐘，燒結溫度為980-1040℃，在980-1040℃溫度下保溫1-3分鐘，保溫結束後以10-100℃/分鐘的冷卻速率降溫至300℃，然後隨爐冷卻至室溫，最後得到刀具材料的複合硬質合金。
優選的，所述碳化鎢的粒度為2.0-5.0微米，所述鈷粉的粒度為1.5-3.5微米；所述銅粉的粒度為1.8-3.5微米；所述氧化釔的粒度為1.0-3.0微米；所述碳化鈮、碳化矽和碳化硼的粒度為1.5-3.5微米。
優選的，在步驟（2）中，納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化矽、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，乾式球磨混合均勻後，在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為900-1050℃、時間為45-75分鐘；還原反應方程為：Y2O3+3H2＝2Y+3H2O。優選的，在步驟（3）中，將含有稀土的貧碳硬質合金粉末在150-200兆帕下壓製成形後，經加壓燒結，得到貧碳預燒結基體，加壓燒結時，控制溫度為1430-1445℃、真空度為5×10-5×10帕，壓力為8-10兆帕，時間為50-75分鐘。
優選的，在步驟（4）中，滲碳所用碳源選自緻密結晶狀石墨、鱗片狀石墨、隱晶質石墨中的至少一種。
優選的，在步驟（3）壓製成型之前，將貧碳硬質合金粉末進行濕磨，球磨介質為酒精，所述酒精與貧碳硬質合金粉末的原料液固比為400-600毫升/千克，球磨的球料比為4-6:1，濕磨完成後將料漿進行過濾，採用噴霧乾燥器進行霧化乾燥制粒。優選的，所述濕磨的球磨機轉速為50-100轉/分鐘，球磨時間為15-20小時。
改善效果
（1）《一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法》由於在製備硬質合金過程中添加了稀土氧化物，混合均勻後還原為稀土金屬。在預燒結過程中，稀土元素一方面可以固溶到Co相中，起到抑制晶粒長大的作用；另一方面，由於稀土元素相對於硬質合金中其它元素更為活潑，易與合金中的氧、硫等雜質結合，淨化晶界，消除缺陷。
（2）滲碳過程中，稀土可以減緩Co相中WC的溶解析出，進而大大減緩了WC晶粒的長大，這為製備高性能硬質合金提供必要條件。滲碳過程中，添加稀土合金晶粒仍然較未添加合金更為細小，所以最後形成的合金表層晶粒較為細小；同時細小的晶粒促進了滲碳反應的進行，更多的Co往硬質合金內部遷移，使得表層低Co、細小晶粒，進而提高了硬質合金表層的硬度。通過控制滲碳時間就能實現對梯度層後的控制，這為製得優質的硬質合金提供了必要條件，這也是2015年2月之前的技術很難達到的。同時由於梯度層厚度的增加，使得硬質合金內的缺碳相維持在一個合理水平，這就保證了硬質合金的韌性。
（3）預燒結過程中，AlN與TiCN結合面上生成TiAlN化合物，AlN與TiAlN化合物為一種高溫下穩定的化合物，其具有有效隔絕硬質相中Ti、N、C原子向外的擴散的作用，從而有效抑制Ti、N、C原子在粘接相中的溶解和析出，降低了碳氮化鈦在粘接相中的溶解度，減少碳氮化鈦在粘接相中溶解析出再長大導致的N分解，增強碳氮化鈦的穩定性，使碳氮化鈦晶粒得到細化，提高金屬陶瓷的硬度和強韌性。
（4）在TiCN基金屬陶瓷中添加納米TiN可顯著提高金屬陶瓷綜合力學性能，主要原因在於：（1）納米TiN在粘接相中的溶解占位而降低了硬質相在粘接相中的溶解度，由此使硬質相的晶粒得到細化；（2）納米TiN顆粒對錯位起釘扎作用，增大了位錯運動的阻礙；（3）納米TiN易在粘接相中溶解，其Ti對粘接相金屬起固溶強化作用。
（5）分兩步燒制可以使得燒結更緻密，並能進一步抑制在升溫過程中的晶粒生長，可進一步提升合金的硬度和斷裂韌性綜合性能
綜合上述優點，該發明製備得到的複合硬質合金硬度達到120-135HRA，材料抗彎曲強度達到2400兆帕以上，材料的斷裂韌性達到13.5兆帕m以上。
權利要求
1.《一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法》包括如下步驟：
（1）備料
按如下重量份準備原材料：納米碳化鈦35-40份、納米氮化鈦5-15份、碳化鎢7-9份、碳化鈮5-8份、碳化矽3-7份、鈷粉3-5份、氧化釔1-3份、碳化硼1-3份、銅粉1-5份；
（2）製備貧碳合金粉末
將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化矽、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，乾式球磨混合均勻後，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末；
（3）製備預燒結基體
將上述貧碳合金粉末壓製成型，真空燒結，得到貧碳預燒結基體；
（4）滲碳處理
將預燒結基體置於氫氣氣氛中，在1420-1450℃進行滲碳處理60-100分鐘，得到滲碳後的硬質合金；
（5）分步燒制
第一步：將滲碳後的硬質合金球磨至粒度為0.1-5微米的粉末，裝入硬質合金模具預壓，然後放入放電等離子燒結設備中進行低溫高壓預燒結，採用如下工藝參數：在燒結壓力100-300兆帕下，溫度從室溫升至100℃，升溫速率為10-50℃/分鐘，在100℃保溫10-30分鐘；保溫結束後，溫度由100℃升至300℃，升溫速率為10-50℃/分鐘，在300℃下保溫10-30分鐘；保溫結束後，增加燒結壓力至300-500兆帕，在此壓力下溫度由300℃升至500-700℃，升溫速率為10-100℃/分鐘，在500-700℃溫度下保溫30-60分鐘；
第二步：將第一步得到的硬質合金模具中預燒結後的塊體裝入高強石墨模具中，放入放電等離子燒結設備中進行第二步緻密化燒結，採用的工藝參數為：燒結壓力為70-240兆帕，升溫速率為50-100℃/分鐘，燒結溫度為980-1040℃，在980-1040℃溫度下保溫1-3分鐘，保溫結束後以10-100℃/分鐘的冷卻速率降溫至300℃，然後隨爐冷卻至室溫，最後得到刀具材料的複合硬質合金。
2.如權利要求1所述的一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法，其特徵在於，所述碳化鎢的粒度為2.0-5.0微米，所述鈷粉的粒度為1.5-3.5微米；所述銅粉的粒度為1.8-3.5微米；所述氧化釔的粒度為1.0-3.0微米；所述碳化鈮、碳化矽和碳化硼的粒度為1.5-3.5微米。
3.如權利要求2所述的一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法，其特徵在於，在步驟（2）中，納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化矽、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，乾式球磨混合均勻後，在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為900-1050℃、時間為45-75分鐘；
還原反應方程為：Y2O3+3H2＝2Y+3H2O。
4.如權利要求2或3所述的一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法，其特徵在於，在步驟（3）中，將含有稀土的貧碳合金粉末在150-200兆帕下壓製成形後，經加壓燒結，得到貧碳預燒結基體，加壓燒結時，控制溫度為1430-1445℃、真空度為5×10-5×10帕，壓力為8-10兆帕，時間為50-75分鐘。
5.如權利要求2或3所述的一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法，其特徵在於，滲碳所用碳源選自緻密結晶狀石墨、鱗片狀石墨、隱晶質石墨中的至少一種。
6.如權利要求5所述的一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法，其特徵在於，在步驟（3）壓製成型之前，將貧碳合金粉末進行濕磨，球磨介質為酒精，所述酒精與貧碳合金粉末的原料液固比為400-60毫升/千克，球磨的球料比為4-6:1，濕磨完成後將料漿進行過濾，採用噴霧乾燥器進行霧化乾燥制粒。
7.如權利要求6所述的一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法，其特徵在於，所述濕磨的球磨機轉速為50-100轉/分鐘，球磨時間為15-20小時。
實施方式
- 實施例1
該實施例的複合硬質合金由下列重量份數的組分製得：
納米碳化鈦35份、納米氮化鈦5份、碳化鎢7份、碳化鈮5份、碳化矽3-7份、鈷粉3份、氧化釔1份、碳化硼1份、銅粉1份。所述碳化鎢的粒度為2.0-5.0微米，所述鈷粉的粒度為1.5-3.5微米；所述銅粉的粒度為1.8-3.5微米；所述氧化釔的粒度為1.0-3.0微米；所述碳化鈮、碳化矽和碳化硼的粒度為1.5-3.5微米。
將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化矽、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，乾式球磨混合均勻後，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末。在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為900℃、時間為45分鐘。
將貧碳硬質合金粉末進行濕磨，球磨介質為酒精，所述酒精與貧碳硬質合金粉末的原料液固比為400毫升/千克，球磨的球料比為4:1。所述濕磨的球磨機轉速為50轉/分鐘，球磨時間為15小時。濕磨完成後將料漿進行過濾，採用噴霧乾燥器進行霧化乾燥制粒。將乾燥後的貧碳合金粉末在150兆帕下壓製成形後，經加壓燒結，得到貧碳預燒結基體，加壓燒結時，控制溫度為1430℃、真空度為5×10帕，壓力為8兆帕，時間為50分鐘。
將預燒結基體置於氫氣氣氛中，在1420℃進行滲碳處理60分鐘，得到硬質合金。滲碳用碳源選用緻密結晶狀石墨。
第一步燒制：將滲碳後的硬質合金球磨至粒度為0.1-5微米的粉末，末裝入硬質合金
模具預壓，然後放入放電等離子燒結設備中進行低溫高壓預燒結，採用如下工藝參數：在燒結壓力300兆帕下，溫度從室溫升至100℃，升溫速率為50℃/分鐘，在100℃保溫30分鐘；保溫結束後，溫度由100℃升至300℃，升溫速率為50℃/分鐘，在300℃下保溫30分鐘；保溫結束後，增加燒結壓力至500兆帕，在此壓力下溫度由300℃升至700℃，升溫速率為100℃/分鐘，在700℃溫度下保溫60分鐘；
第二步燒制：將第一步得到的硬質合金模具中預燒結後的塊體裝入高強石墨模具中，放入放電等離子燒結設備中進行第二步緻密化燒結，採用的工藝參數為：燒結壓力為240兆帕，升溫速率為100℃/分鐘，燒結溫度為1040℃，在1040℃溫度下保溫3分鐘，保溫結束後以100℃/分鐘的冷卻速率降溫至300℃，然後隨爐冷卻至室溫，最後得到刀具材料的複合硬質合金。
- 實施例2
該實施例的複合硬質合金由下列重量份數的組分製得：
納米碳化鈦40份、納米氮化鈦15份、碳化鎢9份、碳化鈮8份、碳化矽7份、鈷粉5份、氧化釔3份、碳化硼3份、銅粉5份。所述碳化鎢的粒度為2.0-5.0微米，所述鈷粉的粒度為1.5-3.5微米；所述銅粉的粒度為1.8-3.5微米；所述氧化釔的粒度為1.0-3.0微米；所述碳化鈮、碳化矽和碳化硼的粒度為1.5-3.5微米。
將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化矽、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，乾式球磨混合均勻後，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末。在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為1050℃、時間為75分鐘。
將貧碳硬質合金粉末進行濕磨，球磨介質為酒精，所述酒精與貧碳硬質合金粉末的原料液固比為600毫升/千克，球磨的球料比為6:1。所述濕磨的球磨機轉速為100轉/分鐘，球磨時間為20小時。濕磨完成後將料漿進行過濾，採用噴霧乾燥器進行霧化乾燥制粒。將乾燥後的貧碳合金粉末在200兆帕下壓製成形後，經加壓燒結，得到貧碳預燒結基體，加壓燒結時，控制溫度為1445℃、真空度為5×10帕，壓力為10兆帕，時間為5分鐘。
將預燒結基體置於氫氣氣氛中，在1450℃進行滲碳處理100分鐘，得到硬質合金。滲碳選用鱗片狀石墨。
第一步燒制：將滲碳後的硬質合金球磨至粒度為0.1-5微米的粉末，末裝入硬質合金模具預壓，然後放入放電等離子燒結設備中進行低溫高壓預燒結，採用如下工藝參數：在燒結壓力100兆帕下，溫度從室溫升至100℃，升溫速率為10℃/分鐘，在100℃保溫10分鐘；保溫結束後，溫度由100℃升至300℃，升溫速率為10℃/分鐘，在300℃下保溫10分鐘；保溫結束後，增加燒結壓力至300兆帕，在此壓力下溫度由300℃升至500℃，升溫速率為10℃/分鐘，在500℃溫度下保溫30分鐘；
第二步燒制：將第一步得到的硬質合金模具中預燒結後的塊體裝入高強石墨模具中，放入放電等離子燒結設備中進行第二步緻密化燒結，採用的工藝參數為：燒結壓力為70兆帕，升溫速率為50℃/分鐘，燒結溫度為980℃，在980℃溫度下保溫1分鐘，保溫結束後以10℃/分鐘的冷卻速率降溫至300℃，然後隨爐冷卻至室溫，最後得到刀具材料的複合硬質合金。
- 實施例3
該實施例的複合硬質合金由下列重量份數的組分製得：
納米碳化鈦37份、納米氮化鈦10份、碳化鎢8份、碳化鈮7份、碳化矽5份、鈷粉4份、氧化釔2份、碳化硼2份、銅粉3份。所述碳化鎢的粒度為2.0-5.0微米，所述鈷粉的粒度為1.5-3.5微米；所述銅粉的粒度為1.8-3.5微米；所述氧化釔的粒度為1.0-3.0微米；所述碳化鈮、碳化矽和碳化硼的粒度為1.5-3.5微米。
將按上述組分稱取的納米碳化鈦、納米氮化鈦、碳化鎢、碳化鈮、碳化矽、鈷粉、氧化釔、碳化硼、銅粉，乾式球磨混合均勻後，在氫氣氛圍還原，得到貧碳合金粉末。在氫氣氣氛中還原，還原的溫度為1000℃、時間為60分鐘。
將貧碳硬質合金粉末進行濕磨，球磨介質為酒精，所述酒精與貧碳硬質合金粉末的原料液固比為500毫升/千克，球磨的球料比為5:1。所述濕磨的球磨機轉速為75轉/分鐘，球磨時間為15-20小時。濕磨完成後將料漿進行過濾，採用噴霧乾燥器進行霧化乾燥制粒。將乾燥後的貧碳合金粉末在175兆帕下壓製成形後，經加壓燒結，得到貧碳預燒結基體，加壓燒結時，控制溫度為1440℃、真空度為5×10帕，壓力為9兆帕，時間為60分鐘。
將預燒結基體置於氫氣氣氛中，在1430℃進行滲碳處理75分鐘，得到硬質合金。滲碳選用隱晶質石墨。
第一步燒制：將滲碳後的硬質合金球磨至粒度為0.1-5微米的粉末，末裝入硬質合金模具預壓，然後放入放電等離子燒結設備中進行低溫高壓預燒結，採用如下工藝參數：在燒結壓力200兆帕下，溫度從室溫升至100℃，升溫速率為30℃/分鐘，在100℃保溫20分鐘；保溫結束後，溫度由100℃升至300℃，升溫速率為20℃/分鐘，在300℃下保溫20分鐘；保溫結束後，增加燒結壓力至400兆帕，在此壓力下溫度由300℃升至650℃，升溫速率為65℃/分鐘，在600℃溫度下保溫45分鐘；
第二步燒制：將第一步得到的硬質合金模具中預燒結後的塊體裝入高強石墨模具中，放入放電等離子燒結設備中進行第二步緻密化燒結，採用的工藝參數為：燒結壓力為150兆帕，升溫速率為75℃/分鐘，燒結溫度為1000℃，在1000℃溫度下保溫2分鐘，保溫結束後以50℃/分鐘的冷卻速率降溫至300℃，然後隨爐冷卻至室溫，最後得到刀具材料的複合硬質合金。
榮譽表彰
2021年11月，《一種刀具材料的複合硬質合金的製備方法》獲得2020年度四川專利獎創新創業獎。
