[发明专利]一种多晶粒尺度硬质合金及其制备方法

说明书

本发明属于硬质合金制备技术领域，更具体地，涉及一种多晶粒尺度硬质合金及其制备方法。按照目标合金成分比例称取一定量的Co粉、WC粉、非晶合金粉末以及成型剂，混合均匀后，通过预烧结和致密化烧结两步法多物理场耦合快速烧结技术制备一种含有微米‑亚微米‑纳米多尺度结构的新型硬质合金。本发明预烧结为超塑性热压烧结，利用非晶合金在过冷液相区的超塑性实现初步粘结，以非晶合金作为粘结相，减少致密化烧结时间，避免WC晶粒长大；致密化烧结为以Co作为粘结相的液相烧结，使原料粉末进一步粘结，且所述非晶合金晶化析出富W纳米晶，引入有益元素或其化合物，形成多晶粒尺度硬质合金，提高硬质合金综合性能。

技术领域

本发明属于硬质合金制备技术领域，更具体地，涉及一种多晶粒尺度硬质合金及其制备方法。

背景技术

硬质合金具有高硬度、高耐磨性的金属陶瓷材料，被誉为“工业的牙齿”，成为现代工业社会发展不可或缺的关键性材料，被广泛的应用于汽车工业、航天航空、集成电路制造等各个领域。但是硬质合金同时也是机遇与挑战并存，硬质合金主要以Co作为粘结相。Co作为一种战略性资源，因锂电的大量普及，加剧了Co的消耗，我国日渐成为全球精炼Co的最大生产国和主要消费国，相反地，我国却是贫Co国，仅占世界储量的1％，长期依赖于进口，这也使硬质合金价格昂贵，难以工业化大批量生产，因此采用Ni、金属间化合物、高熵合金等来替代Co，使用稀土元素及其化合物，甚至通过调整工艺方法改善硬质合金性能已经成为硬质合金发展的一个重要方向。

但是，这些方法同时面临一些问题：(1)专利号为CN 111254336 A的发明专利，在加入NiCl₂·6H₂O作为烧结助剂替代Co制备WC-Ni硬质合金的同时，加热温度高达1400℃-2000℃，加热时间30min-200min，严重加剧了WC晶粒粗化，此外，WC在Ni中的溶解度高，易使硬质合金烧结后产生孔隙和镍池等缺陷；(2)稀土及其化合物的添加的确会细化晶粒：专利号为CN 111057928 A的发明专利，在加入Y₂O₃可以通过弥散强化细化WC晶粒，提高合金性能，但是，Y₂O₃的添加并没有减少Co的使用量，同时会降低热塑性和强韧性；专利号为CN109468516 A的发明专利通过添加少量稀土元素会明显抑制晶粒生长，但是难以保证分散均匀，且在烧结过程中极易发生氧化；(3)专利号为CN110438384A的发明专利制备了一种铁镍基超细晶硬质合金，可提高强韧性，但是对于直接添加的铝粉，在烧结过程中却会发生烧损，难以保证利用率，因此我们需要考虑直接添加化合物以避免烧损；(4)添加过渡金属碳化物可以抑制WC晶粒长大：文献“Bouleghlem M,Zahzouh M,Hamidouche M,etal.Microstructural and Mechanical Investigation of WC-TiC-Co CementedCarbides Obtained by Conventional Powder Metallurgy[J].International Journalof Engineering Research in Africa.2019,45:1-14”指出添加TiC、TaC、NbC会细化WC晶粒，但是相对来说，形成的硬质合金致密度不是特别高；(5)专利号为CN 112359241A的发明专利采用原位反应生成细晶WC粉末，并进一步与粗晶WC粉末烧结生成双晶非均匀硬质合金，可以降低生产成本的同时，改善性能，但是原位反应难以控制；(6)选择合适的工艺会对硬质合金产生一定的影响，特别是传统的一步法烧结无法在抑制晶粒长大的同时提高所烧结样品的致密度。