一种硬质合金材料及其制备方法和应用与流程

本技术涉及粉末冶金，具体涉及一种用于金属板材冲压加工的硬质合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、硬质合金因其高硬度和高耐磨性，被广泛用于制造冲压模具、切削工具等。冲压模具用硬质合金通常由碳化钨（wc）硬质相和钴（co）粘结相组成，业界不断尝试通过调控wc晶粒尺寸、粒度分布及粘结相含量来优化其力学性能。

2、例如，住友电工的cn115053004a公开了一种用于印刷电路板微细钻头的硬质合金，其通过控制wc粒子的圆当量直径在0.5-1.2μm之间，并追求粒径分布均匀（fmax/fmin≤7.0），钴含量不超过10wt%。该方案主要针对树脂基pcb板材的钻孔加工，要求高硬度和抗折力，但未涉及金属板材冲压中的强烈磨粒磨损和间歇冲击载荷。

3、三菱材料的jp11124949a公开了一种用于冲压模具的硬质合金，采用粒径<1μm、2-5μm和>5μm的三峰wc颗粒，钴含量5.5-15wt%。该合金虽然注意到多峰分布对韧性的贡献，但其粗晶颗粒粒径超过5μm，制得的产品硬度通常低于87.5hra，难以满足高硅含量矽钢片冲压对刃口耐磨性的苛刻要求。

4、株洲硬质合金集团的cn103882275a公开了一种增韧硬质合金，其粗晶粒高达9-15μm，中晶粒4-7μm，细晶粒≤2μm，粘结相含量10-30wt%，主要应用于冷镦螺栓、热轧辊环等低精度、高冲击的场合，其耐磨性无法满足精密冲压模具对刃口锋利度的需求。

5、对于矽钢片（尤其是硅含量≥3wt%的牌号）的冲压加工，模具的主要磨损机制为磨粒磨损。矽钢片表面的氧化层和高硬度硅化物颗粒如同微细磨料，不断刮擦、磨损模具刃口。目前，冲压矽钢片普遍采用超细晶粒硬质合金（例如现有tp24牌号，采用常规wc晶粒混合分布和纯co粘结相，并辅以传统涂层）。然而，这类材料在加工高强度矽钢片时，难以在耐磨性与抗崩刃性之间取得良好平衡，在冲压表面较光滑的取向硅钢或厚度较大且存在不稳定因素的矽钢片时，通用性较差，无法满足市场对模具综合性能日益提升的需求。

6、具体而言，现有技术方案存在以下缺陷：

7、（一）耐磨性与韧性难以兼顾：采用均匀细晶结构的硬质合金硬度高、耐磨性好，但韧性不足，冲压过程中易发生崩刃；而采用粗晶结构的硬质合金韧性较好，但耐磨性不足，模具寿命短。

8、（二）晶粒结构设计单一：现有技术多采用单峰或双峰晶粒分布，未能通过特定晶粒结构分布设计实现硬度、韧性与耐腐蚀性的协同优化。

9、（三）针对矽钢片冲压的专用性不足：现有硬质合金多针对通用切削或冲压设计，未充分考虑矽钢片冲压过程中特有的磨粒磨损、冲击载荷及可能的腐蚀环境，导致模具寿命普遍偏低且更换频繁。

10、综上，在实际生产中发现，针对硅含量≥3.0wt%的取向矽钢片冲压，模具需要同时承受高硬度氧化层引起的磨粒磨损、高频间歇冲击以及冲压冷却液可能带来的腐蚀环境。现有技术难以满足多项性能的平衡要求：当硬度≥89hra时，断裂韧性普遍低于9.5 mpa·m¹/²；当断裂韧性≥10.5 mpa·m¹/²时，硬度普遍低于87.5hra；且耐腐蚀性（5% hcl浸泡24h失重）普遍高于0.25 mg/cm2。换言之，现有技术无法同时满足“硬度≥88.5hra、断裂韧性≥11.2 mpa·m¹/²、耐腐蚀失重≤0.20mg/cm2，且冲压寿命大于55万次”的综合性指标。

11、因此，本领域迫切需要一种能够同时具备高耐磨性、高韧性及良好耐腐蚀性的硬质合金材料。

技术实现思路

1、本技术旨在提供一种能够同时具备高硬度、高韧性及优良耐腐蚀性的硬质合金材料及其制备方法，以克服现有技术中硬质合金在含有磨粒和腐蚀介质的冲压工况下性能不足的问题。

2、为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、本技术提供的一种耐热耐腐蚀的冲压矽钢类材料的硬质合金材料，所述硬质合金材料包含硬质相和粘结相，所述硬质相主要由碳化钨构成，所述粘结相含有钴；按重量百分比计，所述硬质合金材料由以下组分组成：

4、碳化钨：86%-89.5%；

5、钴：10%-13%；

6、晶粒长大抑制剂以及不可避免的杂质：0.5%-1%；

7、其中，所述碳化钨由第一碳化钨粉末、第二碳化钨粉末和第三碳化钨粉末混合而成；

8、所述第一碳化钨粉末的平均粒径d50为0.4μm-0.8μm；所述第二碳化钨粉末的平均粒径d50为0.8μm-1.5μm，所述第三碳化钨粉末的平均粒径d50为2.0μm-4.0μm；

9、所述第一碳化钨粉末、第二碳化钨粉末与第三碳化钨粉末的重量配比为(25-35)：(35-45)：(25-35)。

10、在一些实施例中，所述晶粒长大抑制剂为碳化铬、碳化钒、碳化钽中的一种或几种。

11、在一些实施例中，所述晶粒长大抑制剂由碳化铬和其他类晶粒长大抑制剂组成；所述其他类晶粒长大抑制剂为碳化钒、碳化钽中的一种或几种，其中碳化铬占晶粒长大抑制剂总重量的70%以上。该特征主要解决在保持高硬度的前提下提高硬质合金耐腐蚀性的技术问题，避免冲压冷却液对模具的侵蚀。

12、在一些实施例中，所述钴粉的平均粒径为0.5μm-1.5μm；该特征通过控制粘结相初始粒度，解决了防止钴池形成、提高合金组织均匀性的技术问题。

13、在一些实施例中，所述硬质合金的硬度≥88.5hra，抗弯强度≥4200 mpa，断裂韧性≥11.2mpa·m¹/²，且在5%hcl溶液中浸泡24小时的失重≤0.18 mg/cm2；本技术方案解决了现有技术无法同时满足高硬度、高韧性与高耐腐蚀性的综合性技术问题。

14、本技术还提供一种如上所述硬质合金材料的制备方法，其包括以下步骤：

15、(1) 混合： 将碳化钨粉末、钴粉与晶粒长大抑制剂按比例混合，在球磨机中进行湿法球磨，得到混合浆料；

16、(2) 干燥与造粒： 将所述混合浆料进行干燥，并加入成型剂进行造粒，得到混合料；

17、(3) 成型： 将造粒后的混合料在模具中压制成型，得到压坯；

18、(4) 烧结： 将所述压坯进行烧结；

19、烧结工艺为：在真空或低压惰性气氛下，首先在1200-1300℃下保温1-3小时进行脱脂和预烧结，然后升温至1400-1450℃下保温1-3小时进行最终烧结，随后随炉冷却。

20、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述球磨介质为无水乙醇，球料比为(1.2-1.5):1，球磨时间为20-30小时。

21、在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述成型剂为石蜡，其添加量为混合料总重量的2.0%-3.0%。干燥采用喷雾干燥或搅拌干燥，干燥温度为80-100℃。

22、在一些实施例中，所述步骤(3)中，压制成型的压力为100-200 mpa。

23、在一些实施例中，所述步骤(4)中，从脱脂温度升至最终烧结温度的升温速率为5-10℃/分钟。

24、本技术还提供一种如上所述硬质合金材料在冲压硅含量≥3.0wt%的矽钢片模具中的应用；本技术方案解决了高硅矽钢片冲压工况下模具寿命不足的专用技术问题。

25、本技术还提供一种冲压模具，所述模具的凸模和/或冲头由如上所述的硬质合金材料制成。

26、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：

27、针对硅含量≥3.0wt%的高硅矽钢片冲压工况，本技术方案打破“硬度-韧性”矛盾，实现硬度、韧性与耐腐蚀性的协同优化，材料可适应矽钢片冲压过程中特有的磨粒磨损、冲击载荷及可能的腐蚀环境工况，该材料硬度≥88.5hra，抗弯强度≥4200mpa，断裂韧性≥11.2mpa·m¹/²，耐腐蚀失重≤0.18mg/cm²，冲压高硅矽钢片寿命达58万次以上，适用于高耐磨高韧性冲压模具。