[发明专利]一种微观非均匀成份及结构的硬质合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种微观非均匀成份及结构的硬质合金及其制备方法。

背景技术

常规WC—Co基硬质合金材料，WC相是弥散分布在Co相中，其金相组织均匀、机械性能一致，同时，W和C在Co相中有一定溶解度，且并非按照1:1的原子比固溶进入Co相，而是符合[W]*[C]＝L,L是溶度积，也就是说Co相中如果溶解的碳含量高，则溶解的钨含量将少。WC在钴相中固溶度受合金初始碳含量影响，对正常合金而言，粘结相中W含量随合金碳含量的降低而升高，反之亦然。随着粘结相中W含量的增加，粘结相内部发生畸变，点阵参数发生变化，RalphK.等研究的硬质合金中Co相点阵参数随其含W量变化的关系见表1.

表1.硬质合金粘结相点阵参数随W含量变化关系

从表1中可以清楚看见，随着Co相中W含量的变化，Co相点阵参数发生相应变化，Co相的物理性能发生显著变化。因此，在硬质合金γ相+WC相的两相区，通常会细分出高、中、低碳区，即使这个两相区很窄，生产中也会通过磁饱和等数据的控制来严格进行生产控制。魏维新等详细研究了硬质合金在高低碳界不同的物理性能，硬质合金在两相区的物理性能情况见表2，合金物理性能的变化主要是Co相中溶解的W、C含量不同引起的。

表2.合金磁性能与合金相区的关系

从表2中可以看出，在低碳界(渗碳界)，硬质合金的抗弯强度差，而抗压强度高。这样，对于顶锤这样的在高压力情况使用的产品，需要将合金碳量控制在低碳界。而对于耐冲击产品，就应该控制在高碳区，因为在高碳区，硬质合金有更好的抗弯强度。但是，表2总结中是没有考虑到合金的化学性能，比如，抗酸碱性能，据报道，传统WC-Co硬质合金具有较差的抗氧化性能和耐腐蚀性能。研究表明，除盐酸、硫酸、硝酸等强酸性介质外，硬质合金在醋酸这样的弱酸性介质中也会受到一定程度的腐蚀。根据Kubota等人的研究表明，硬质合金Co粘结相中，如果溶解W含量越高，硬质合金将有更强的耐酸碱腐蚀能力，也就是说将硬质合金控制在低碳界，合金将会获得更高的耐酸碱腐蚀性能。

传统硬质合金的生产是典型的粉末冶金流程：原料WC和Co粉末→湿磨干燥→加成形剂(掺胶)→压制成形→真空脱胶(蜡)→真空烧结→后加工→成品。在这种生产流程中，WC粉末选择的是单一碳量的粉末，这样，在随后系列控碳调整过程中，合金要么控制在低碳界，要么控制在高碳界，也可以控制在中间，以取得需要的合金性能，如表2中显示的情况。但是，传统硬质合金的生产方法制约了合金的综合性能的优化，比如，对于耐冲击产品，就应该控制在高碳区，因为在高碳区，硬质合金有更好的抗弯强度，但是，控制在高碳界，Co相中溶解的W相对较少，合金抵抗酸碱腐蚀能力大大下降，而通常在抗冲击的钻探现场，泥浆是有一定腐蚀性能的，传统硬质合金制备方法存在一定的控制性能局限性。为解决这种局限性，Ralph K.等人在美国专利《非均匀Co基硬质合金》(专利号US3660050)，和专利《通过混合不同碳量粉末获得非均性合金》(专利号US351280)中介绍了一种非均匀硬质合金的概念和制备方法，采取的是采用不同碳含量的WC进行配碳。其实施例中公开了采用低碳WC(碳含量6.07wt％，游离碳0.09％，含氧量0.36％)和高碳WC(碳含量6.19wt％，游离碳0.12％，含氧量0.43％)两种WC，再加上12.4wt％含量的金属Co粉制备了非均匀结构硬质合金，局部微观区域测量Co相中的W含量，分别有典型区域有平均W含量20.0％，平均W含量10％和平均W含量3％的区域。这种合金同时具备传统合金在高碳界和在低碳界的综合性能，具体的性能可以通过调整不同W含量典型区域的比例进行调整，以获得不同的性能组合。专利的根本方法是采用不同碳量的WC粉末进行复配。另外，Dong M.和Chay Wilmington等采用将粉末轻微氧化的方法也获得了成分非均匀硬质合金，见美国专利《通过轻微氧化获得非均匀性合金》(专利号US3525611)，这种方法和Ralph K.等人的方法比较，并没有显著的变化，只不过通过轻微氧化，使得粉体局部碳量不均匀，而轻微氧化方法显然不是很适合工业大规模生产。以上专利通过不同碳含量的复配(或者轻微氧化)，实现了合金的非均匀化，从而获得性能的组合。但是，这种方法的局限性是只能实现成分的微观非均匀化，确不能实现合金结构上的非均匀化。调配合金性能仍然有限制。