[发明专利]一种原位生成碳化物-钴镍铁非晶基硬质合金材料及其制备方法

说明书

一种原位生成碳化物‑钴镍铁非晶基硬质合金材料及其制备方法，其主要制备过程：将强碳化物单质金属粉和炭黑或石墨粉混合进行高能球磨，再低温煅烧得到具有高反应活性的中间相合金粉体；再加入还原铁粉、钴粉、镍粉、硼粉、钇粉和石墨粉等原料，然后高能球磨，以提高混合粉体中铁粉、钴粉、镍粉的纳米化程度；再加入黏结剂，然后球磨混合均匀；然后将混合粉体高压压实得到高致密块体坯料；再将块体坯料放入真空双室热处理炉热室进行真空排黏及烧结，然后快速气冷，最终得到所需硬质合金材料。本方法得到的硬质合金材料可表现出超高的弹性模量、强度、硬度，以及良好韧性和耐高温性能，可适用于开发各种模具、刀具、钻头、发动机气门、涡轮机叶片等产品。

技术领域

本发明涉及一种硬质合金材料，特别涉及一种原位反应法制备碳化物- 钴镍铁非晶基硬质合金材料。

背景技术

传统的硬质合金通常采用粉末冶金方法来制备。通常以难熔的超高硬度金属化合物(如WC等)为主相，以钴(Co)金属为粘结相，制备得到的这类硬质合金(如WC-Co等)具有超高的硬度、强度、耐磨性及良好的韧性，在切削加工、钻孔/洞、模具及耐磨部件等领域具有广泛的应用。由于钴(Co)作为重要的战略性稀缺资源，因此其价格较昂贵。如果能保证硬质合金具有优良综合性能的前提下，采用镍(Ni)、铁(Fe)等金属部分替代Co作为黏结金属以降低成本，已成为行业的共识。另外，商品硬质碳化物(如WC等)通常采用高温碳化法制备，其颗粒表面具有尖锐棱角并对粘结金属具有割裂作用，且碳化物的表面活性较差，其与黏结金属之间界面结合性能较差，因此在使用过程中易于碳化物剥落及发生脆性断裂；而以原位法合成出具有光滑外表面的硬质碳化物，其颗粒大小尺寸可控，且原位碳化物与黏结金属之间可形成共格或半共格的冶金结合界面，因此以原位硬质碳化物作为增强相，能够很好地避免材料在较低应力及冲击作用下发生脆性断裂，从而大幅提高硬质合金材料的使用寿命。

发明内容

本专利的主要思路为：(1)利用高能球磨法获得具有高活性、高畸变能、高表面积的钴、镍、铁粉，从而大幅降低混合金属粉末的熔点(降低了混合金属粉末的熔化熵，使其具有高的形核势垒，低温烧结时合金熔体粘度高，从而使其具有较强的非晶形成能力)，其在较低温度下进行烧结并以相对较小的过冷度下进行冷却，可在硬质合金中形成大量的非晶合金强化相，从而显著提高黏结相的力学强度及硬度，并保证一定的高韧性；(2)利用了原位反应原理在硬质合金中原位形成高熔点、高模量、高硬度的微/纳米级碳化物颗粒，其颗粒表面光滑，与黏结金属具有良好的冶金结合界面，从而显著提高硬质合金的抗弯强度、抗拉/抗压强度及耐冲击和耐磨性能。

为达到以上技术目的，本发明公开了一种原位生成碳化物-钴镍铁非晶基硬质合金的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1、将强碳化物单质金属M(M为W、V、Cr、Nb、Ta 或Ti中的一种或多种)粉和炭黑或石墨粉(C)按照一定摩尔比称料，再进行高能球磨；

步骤2、对步骤1球磨后得到的混合粉体进行低温煅烧处理，得到具有高反应活性、高比表面积的M-C中间相合金颗粒粉体；

步骤3、步骤2结束后，向其中再加入一定比例的合金磨球、还原铁粉、钴粉、镍粉、硼粉、钇粉和石墨粉等原料，然后进行高能球磨，提高混合粉体中的铁粉、钴粉、镍粉等的纳米化程度及畸变能，以提高其非晶形成能力；

步骤4、步骤3结束后，加入一定量的黏结剂，然后再低速球磨混合均匀。

步骤5、将步骤4球磨得到的混合粉体放入模具中，利用四柱液压机或冷等静压对其混合粉体进行高压压实，得到高致密块体坯料；

步骤6、将步骤5得到的致密块体坯料放入真空双室热处理炉的热室进行真空加热排黏结剂，然后在一定温度下进行烧结，最后得到的复合块体送入真空热处理炉的冷室，再通高速低温氮气对其进行快速气冷，最终得到块体硬质合金材料。