一种轻质高强度硬质合金材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种硬质合金，具体地说是一种轻质高强度硬质合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.硬质合金，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。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。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。
3.硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造切削工具、刀具、钻具和耐磨零部件，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域。
4.而现有的硬质合金，对于轻质性和强度性难以同时满足相关的加工应用需求。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
6.一种轻质高强度硬质合金材料，由以下按照重量份数计的材料组成：
7.碳化钛粉为70～80份，镍粉6-12份，钛粉6～8份，碳化钨粉5-7份，碳粉1～2份，锆粉3～6份，铜粉1～4份，锰粉2～3份，铌粉1～2份，铬粉1～3份。
8.一种轻质高强度硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
9.将按照重量份数计的碳化钛粉为70～80份，镍粉6-12份，钛粉6～8份，碳化钨粉5-7份，碳粉1～2份，锆粉3～6份，铜粉1～4份，锰粉2～3份，铌粉1～2份和铬粉1～3份一起放入搅拌设备中搅拌，混合均匀形成混合粉末；
10.然后再放入振动罐中，在振动罐中加入碰撞球体，启动振动罐使振动罐按照设定的频率振动，使碰撞球体与混合粉末持续的碰撞接触，保持时间t；
11.将振动处理后的混合粉末放入球磨设备中，固液比为1∶1-3，常温球磨36-48小时，将混合粉末取出；
12.放入真空干燥设备中进行干燥；
13.然后放入烧制设备中进行第一次真空烧结，从室温以7-9℃/min的速率升温到800℃，保温10-12分钟，接着再以5℃/min的速率升温到1300-1500℃，保温5-15分钟，然后在3-6分钟的时间内冷却到60-80℃；然后进行第二次真空烧结，从60-80℃以15℃/min的速率升温到1300-1450℃；
14.将烧结后的混合粉末置于石墨稀流体中，搅拌均匀，进行升温保温处理，使得石墨稀渗透入混合粉末中进行相互结合，扩渗温度200℃～300℃，热处理时间3h～18h；
15.置于相应的模具中，压制成型，最后将压制成型的制品烧结，得到硬质合金产品。
16.所述球磨时，添加无水乙醇。
17.所述碳化钛粉、镍粉、钛、碳化钨粉、碳粉、锆粉、铜粉、锰粉、铌粉、铬粉的纯度均≥99.9％，粒度均为200目。
18.所述振动罐中放置的振动球体为8-12个，振动球体为硬质合金球。
19.所述球磨过程中还加入氮气，使混合粉末还原。
20.本发明通过对混合粉末者碰撞处理，使得粉末能够产生纳米结构，可以为后续的渗透提供便利性，降低渗透温度，提升渗透率，利用石墨稀的渗透，提升横向断裂强度和断裂韧性，同时又能够确保具有较高的硬度。
具体实施方式
21.为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
22.实施例一
23.一种轻质高强度硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
24.将按照重量份数计的碳化钛粉为75份，镍粉10份，钛粉7份，碳化钨粉6份，碳粉2份，锆粉4份，铜粉3份，锰粉2份，铌粉1份，铬粉1份一起放入搅拌设备中搅拌，混合均匀形成混合粉末。
25.然后再放入振动罐中，在振动罐中加入8个碰撞球体，启动振动罐使振动罐按照设定的频率振动，使碰撞球体与混合粉末持续的碰撞接触，碰撞频率为20hz，碰撞时间为30分钟。
26.将振动处理后的混合粉末放入球磨设备中，添加无水乙醇，固液比为1∶1，即混合粉末与无水乙醇的比例，常温球磨36小时，将混合粉末取出，此时粉末中是夹杂着无水乙醇的。
27.放入真空干燥设备中进行干燥，真空干燥设备的真空始终保持在1
×
10-1
pa，温度保持至70℃，保温干燥8h。
28.然后放入烧制设备中进行第一次真空烧结，从室温以7℃/min的速率升温到800℃，保温12分钟，接着再以5℃/min的速率升温到1300℃，保温5-15分钟，然后在3分钟的时间内冷却到60℃，然后再以15℃/min的速率从60℃升温到1350℃。通过两次不同阶段的升温烧结，以及两次烧结之间的快速冷却，使得材料的拉伸性能得到一定提升，冲击韧性得到显著增强。利用快速冷却，使得晶体结构未能及时发生变化，达到提高材料的强度和硬度目的，而两次烧结，可以使得致密性和晶体结构都得到有效提升，确保具有充足的强度和硬度。
29.将烧结后的混合粉末置于石墨稀流体中，搅拌均匀，进行升温保温处理，使得石墨稀渗透入混合粉末中进行相互结合，扩渗温度200℃℃，热处理时间18h，利用石墨稀进一步地渗透入粉末中，能够进一步地提升材料的横向断裂强度和断裂韧性。
30.置于相应的模具中，压制成型，最后将压制成型的制品烧结，得到硬质合金产品。
31.实施例二
32.一种轻质高强度硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
33.将按照重量份数计的碳化钛粉为75份，镍粉10份，钛粉7份，碳化钨粉6份，碳粉1份，锆粉4份，铜粉3份，锰粉2份，铌粉1份，铬粉2份一起放入搅拌设备中搅拌，混合均匀形成混合粉末。
34.然后再放入振动罐中，在振动罐中加入10个碰撞球体，启动振动罐使振动罐按照设定的频率振动，使碰撞球体与混合粉末持续的碰撞接触，碰撞频率为30hz，碰撞时间为15分钟。
35.将振动处理后的混合粉末放入球磨设备中，添加无水乙醇，固液比为1∶2，即混合粉末与无水乙醇的比例，常温球磨40小时，将混合粉末取出，此时粉末中是夹杂着无水乙醇的。
36.放入真空干燥设备中进行干燥，真空干燥设备的真空始终保持在1
×
10-1
pa，温度保持至72℃，保温干燥10h。
37.然后放入烧制设备中进行第一次真空烧结，从室温以8℃/min的速率升温到800℃，保温10分钟，接着再以5℃/min的速率升温到1400℃，保温10分钟，然后在4分钟的时间内冷却到70℃，然后再以15℃/min的速率从70℃升温到1400℃。通过两次不同阶段的升温烧结，以及两次烧结之间的快速冷却，使得材料的拉伸性能得到一定提升，冲击韧性得到显著增强。利用快速冷却，使得晶体结构未能及时发生变化，达到提高材料的强度和硬度目的，而两次烧结，可以使得致密性和晶体结构都得到有效提升，确保具有充足的强度和硬度。
38.将烧结后的混合粉末置于石墨稀流体中，搅拌均匀，进行升温保温处理，使得石墨稀渗透入混合粉末中进行相互结合，扩渗温度250℃，热处理时间20h，利用石墨稀进一步地渗透入粉末中，能够进一步地提升材料的横向断裂强度和断裂韧性。
39.置于相应的模具中，压制成型，最后将压制成型的制品烧结，得到硬质合金产品。
40.实施例三
41.一种轻质高强度硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
42.将按照重量份数计的碳化钛粉为80份，镍粉12份，钛粉8份，碳化钨粉7份，碳粉2份，锆粉6份，铜粉4份，锰粉3份，铌粉2份，铬粉3份一起放入搅拌设备中搅拌，混合均匀形成混合粉末。
43.然后再放入振动罐中，在振动罐中加入12个碰撞球体，启动振动罐使振动罐按照设定的频率振动，使碰撞球体与混合粉末持续的碰撞接触，碰撞频率为30hz，碰撞时间为10分钟。
44.将振动处理后的混合粉末放入球磨设备中，添加无水乙醇，固液比为1∶3，即混合粉末与无水乙醇的比例，常温球磨45小时，将混合粉末取出，此时粉末中是夹杂着无水乙醇的。
45.放入真空干燥设备中进行干燥，真空干燥设备的真空始终保持在1
×
10-2
pa，温度保持至75℃，保温干燥15h。
46.然后放入烧制设备中进行第一次真空烧结，从室温以7℃/min的速率升温到800℃，保温12分钟，接着再以5℃/min的速率升温到1400℃，保温5分钟，然后在6分钟的时间内冷却到80℃，然后再以15℃/min的速率从80℃升温到1450℃。通过两次不同阶段的升温烧结，以及两次烧结之间的快速冷却，使得材料的拉伸性能得到一定提升，冲击韧性得到显著
增强。利用快速冷却，使得晶体结构未能及时发生变化，达到提高材料的强度和硬度目的，而两次烧结，可以使得致密性和晶体结构都得到有效提升，确保具有充足的强度和硬度。
47.将烧结后的混合粉末置于石墨稀流体中，搅拌均匀，进行升温保温处理，使得石墨稀渗透入混合粉末中进行相互结合，扩渗温度300℃，热处理时间20h，利用石墨稀进一步地渗透入粉末中，能够进一步地提升材料的横向断裂强度和断裂韧性。
48.置于相应的模具中，压制成型，最后将压制成型的制品烧结，得到硬质合金产品。
49.对比例一
50.与实施例一相对应，不同在于：没有添加镍粉和钛粉，同时在烧结过程中，采用7℃/min的速率直接升温到1350℃，然后在30分钟的时间冷却到室温。
51.对比例二
52.与实施例二相对应，各组分含量一致，不同在于：没有进行振动处理，同时采用7℃/min的速率直接升温到1350℃，然后在30分钟的时间冷却到室温。
53.对比例三
54.与实施例三相对应，不同在于，各组分含量一致，烧结后的粉末没有与石墨稀流体结合处理，直接进行压制成型。
55.经测试，三个实施例和三个对比例制备得到的试样的性能如下表所示：
[0056][0057]
由上可看出，本发明中，对于添加了石墨稀进行相互结合，可以有效的提升热导率，而且，利用其他工艺制备，对于整体的弯曲强度、断裂韧性都有较大的提升。
[0058]
需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。