[发明专利]基于多元复合碳氮化钛固溶体的含氮硬质合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硬质合金领域，涉及一种含多元复合碳氮化钛固溶体的硬质合金及其制备方法。

背景技术

WC-Co系硬质合金因其具有高强度和良好的韧性，因而用于制作切削工具，广泛应用于现代制造业，但其硬度和耐磨性有待进一步提高，否则，其应用会受到限制。继后，人们采用硬度比WC更高的Ti(C，N)作为硬质相，Co或Ni作为粘结相，并添加Mo₂C、WC等第二类碳化物以改善Ti(C，N)与Co、Ni之间差的润湿性，制备了抗氧化、导热和导电等性能优异的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，且应用于高速切削领域，虽然很好解决了刀具的耐磨性问题，但实际工程应用中又面临着由于韧性偏低而易于崩刃失效等难题。

为了实现刀具材料的强度、韧性与硬度的匹配，提高刀具使用寿命，近年来，人们尝试在具有良好强韧性的WC-Co系硬质合金体系中引入硬度更高的Ti(C，N)，如中国专利CN1900331A、CN102134660A在WC-Co体系中加入Ti(C，N)粉，在脱氮气氛下烧结或结合氮气热处理工艺条件，制备出了具有表层脱β相(立方相)且相应的粘结剂含量高于基体的名义粘结剂含量的高韧性区域或表面富立方相(Ti(C，N))、组织非均质的两种梯度结构硬质合金。虽然这类硬质合金的表面梯度组织的功能特性可实现硬质合金材料硬度和强韧性的配合，但制备的硬质合金整体强度和硬度并不高，没能从根本上解决WC-Co基材料整体硬度和强韧性的匹配问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多元复合碳氮化钛固溶体的含氮硬质合金及其制备方法，以提高硬质合金的综合机械性能，获得硬度和强韧性兼具的硬质合金。

本发明的技术方案：在WC-Co系硬质合金中引入多元复合碳氮化钛固溶体(Ti，M)(C_x，N_1-x)，利用该固溶体中的多功能组元，尤其是氮及钼、钽、钨、钒等多组元的协同作用，来改善其与WC之间的物性差异以及它们与粘结相之间的润湿性，细化硬质合金晶粒，获得微观组织均匀的硬质合金，实现其硬度、强度和韧性的匹配。

本发明所述基于多元复合碳氮化固溶体的含氮硬质合金，其硬质相为WC和固溶体(Ti，M)(C_x，N_1-x)，粘结相为Co和/或Ni，硬质相、粘结相在所述硬质合金中均匀分布；所述硬质合金的原料为Co和/或Ni粉、WC粉和固溶体(Ti，M)(C_x，N_1-x)粉，硬质合金中的氮元素通过固溶体(Ti，M)(C_x，N_1-x)粉引入；所述固溶体(Ti，M)(C_x，N_1-x)中，0＜x＜1，组元M为W、Mo、Ta、Nb、V、Cr、Zr、Hf、Y和镧系元素中的至少两种。

本发明所述基于多元复合碳氮化固溶体的含氮硬质合金制备方法，其工艺步骤如下：

(1)混料与造粒

原料为WC粉、Co和/或Ni粉、固溶体(Ti，M)(C_x，N_1-x)粉，其重量百分数如下：

WC粉                  45～96.9％

Co和/或Ni粉           3～25％

(Ti，M)(C_x，N_1-x)粉   0.1～30％

所述固溶体(Ti，M)(C_x，N_1-x)中，0＜x＜1，组元M为W、Mo、Ta、Nb、V、Cr、Zr、Hf、Y和镧系元素中的至少两种；

按上述原料的重量百分数计量各原料，然后将计量好的各原料依次进行湿法球磨、干燥、添加成型剂、干燥、筛分、造粒，形成颗粒状混合料；

(2)成型

将步骤(1)形成的颗粒状混合料装入模具的型腔，压制成硬质合金坯体；

(3)低压烧结

将步骤(2)制备的硬质合金坯体装入低压烧结炉中，抽真空至1×10^-1Pa，在250℃～600℃脱胶，然后升温至1100℃～1300℃并在该温度烧结1小时～2小时，烧结时间届满后，再升温至1400℃～1480℃并在该温度保温0.5小时～1.5小时，保温时间届满后，在该温度下向低压烧结炉中通入氩气至0.5MPa～6MPa并在氩气氛围中保温0.1小时～1小时，继后随炉冷却至室温，即获得基于多元复合碳氮化固溶体的含氮硬质合金。