添加硼元素的硬質合金及其制備方法

專利名稱：添加硼元素的硬質合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種硬質合金及其制備方法，尤其是添加了硼元素的硬質合金 及其制備方法。
技術背景硬質合金的強度和硬度是一對矛盾的性能， 一般來說材料越硬則越脆、強 度相對低，通常應用中需要在強度與硬度之間達到一種平衡。為此有人提出通過加入硼元素(B)來改善硬質合金性能。在硬質合金中添加硼的方式主要有兩 種 一種是在合金生產之初的原料粉末混合中加入硼的氧化物或碳化物粉末， 如日本專利JP2005068479中以B203作為硼的主要添加形式；利用硼的氧化物或碳 化物的化學穩定性，避免在以后的合金制造過程中產生其它導致合金性能劣化 的副反應，但不利于硼元素的擴散與均勻分布； 一種是在合金生產的壓坯燒結 過程中，或者是在燒結過的合金制品上，用含硼物料將壓坯或者制品涂覆(或 包圍住)，在燒結氣氛中，使一定數量的硼通過熱力學作用而轉移到成型材料 中，自成型材料件的表面擴散到至少3mm深度的整個顯微組織中，從而實現硼元 素的添加，如劉壽榮，宋俊亭等在"WC-Co硬質合金燒結過程滲硼的高溫動態相 分析"(硬質合金，2002， 19 (1))、劉壽榮，郝建民等在"WC-Co硬質合金 燒結過程釔-硼共滲機理"(稀有金屬材料與工程，2003， 32 (4))等文獻中 指出的；但該方式對反應程度不易控制。 發明內容本發明提供一種添加了硼元素的硬質合金及其制備方法，該硬質合金韌性 基本不變而強度、硬度得到提高，或者強度、韌性、硬度同時得到提高。
本發明的添加了硼元素的硬質合金，其特征是硼元素與粘接相的質量百分比為0. 01% 2%，最好為0. 05%~1%本發明的硬質合金的制備方法，包括配料、球磨、干燥、壓制和燒結工序， 其特征在于所述硼元素可采用純硼粉、TiB2、 CrB2、 WB、 CoB中的一種或幾種 復合的形式，在配料階段與WC、 Co混合均勻，然后再與酒精混合球磨24 72小 時。所述純硼粉或金屬硼化物粉末的粒度最好不大于合金原料所用的WC粒度。 本發明在配料階段開始加入硼元素，通過選擇純硼粉或IVA、 VA、 VIA族金 屬元素的硼化物粉末，使硼元素在基體中的擴散與均勻分布，可以實現硬質合 金的強度、硬度、韌性的同時提高，其中以強度提高幅度更大；并且金屬元素 Ti可以提高硬質合金的紅硬度和抗月牙洼磨損，Cr可以起到抑制WC晶粒長大 的作用，因此對超細硬質合金具有一定優勢。本發明工藝簡單、生產成本低。


圖1是本發明的含硼硬質合金與普通的硬質合金的力學性能對比；圖2是本發明的含硼硬質合金的典型微觀組織結構，其中a、 b為含B硬質合金典型微觀組織，c為脫碳合金組織；圖3是本發明的含硼硬質合金與普通的硬質合金的X-射線衍射圖譜對比示意圖。
具體實施方式
實施例l:采用硬質相WC、粘接相Co，其粒度分別為0.8um、 l.Oum(下 同)，配料加入4um的B粉，使原料中WC、 Co、 B的含量分別為89. 99%、 10%、 0.01%，其中B元素與Co的質量百分比為0. 1%。上述粉末共1Kg經過配料、均 勻混合后，與400ml酒精一起球磨60 65小時，然后經噴霧干燥、壓制以及燒
結，獲得的含硼硬質合金強度為3103MPa，硬度HV3為1680,斷裂韌性KK=10. 3 Mpm—1/2。其微觀組織結構參見圖2。對比實施例l:同樣采用硬質相WC、粘接相Co，其粒度與實施例l相同， 含量分別為90%、 10%。 WC粉末與Co粉末均勻混合后，與和400ml酒精一起球 磨60 65小時，然后經噴霧干燥、壓制以及燒結,獲得的硬質合金強度為2890MPa， 硬度HV3為1570， Kie=10.4 Mpm1/2 (至少測量5個試樣，并取平均值，下同)。本發明的添加了硼元素的硬質合金與對比實施例中普通硬質合金的力學性 能對比參見圖l， X-射線衍射圖譜對比參見圖3 (下同)。實施例2:采用硬質相WC、粘接相Co，配料加入4um的B粉，使原料中 WC、 Co、 B的含量分別為89. 7%、 10%、 0. 03%，其中B元素與Co的質量百分比 為0. 3%。上述粉末共1Kg經過配料、均勻混合后，與400ml酒精一起球磨60~65 小時，然后經噴霧干燥、壓制以及燒結，獲得的含硼硬質合金強度為2970MPa， 硬度HV3為1680， KIC=10. 2Mpm—1/2。對比例1:同樣采用硬質相WC、粘接相Co，其粒度與上述實施例1、 2相同， 含量分別為90%、 10%。 WC粉末與Co粉末均勻混合后，與和400ml酒精一起球 磨60 65小時，然后經噴霧干燥、壓制以及燒結，獲得的硬質合金強度為2890MPa， 硬度HV3為1570， K1C=10.4 Mpm—1/2。本發明的添加了硼元素的硬質合金與對比實施例中普通硬質合金的力學性 能對比參見圖l， X-射線衍射圖譜對比參見圖3 (下同)。實施例3:采用硬質相WC和TaC、粘接相Co,含量分別為92. 5%、 6. 5%和 1. 0%，配料加入4" m的B粉，使原料中硬質相、Co、 B的含量分別為92. 5%、 6.5%、 0.005%，其中B元素與Co的質量百分比為0.0769%。上述粉末共lKg經
過配料、均勻混合后，與380ml酒精一起球磨27 35小時，然后經噴霧干燥、 壓制以及燒結，獲得的含硼硬質合金強度為2200MPa，硬度HV3為1610， KIC=10. 3Mpm—1/2。實施例4:采用硬質相WC和TaC、粘接相Co，含量分別為92. 5%、 1. 0%和 6. 5%，配料加入2 p m的CrB2粉，使原料中硬質相、Co、 B的含量分別為92. 36%、 6.5%、 0.06%，其中B元素與Co的質量百分比為0.9y。。上述粉末共1Kg經過配 料、均勻混合后，與380ml酒精一起球磨27 35小時，然后經噴霧干燥、壓制 以及燒結，獲得的含硼硬質合金強度為2210MPa，硬度HV3為1600， KIC=10. 28Mpm—1/2。實施例5:采用硬質相WC和TaC、粘接相Co，含量分別為92. 5%、 1.0%和 6.5%，配料加入2um的CrB2粉，使原料中硬質相、Co、 B的含量分別為92. 2%、 6. 5%、 0. 135%，其中B元素與Co的質量百分比為2. 0%。上述粉末共1Kg經過配 料、均勻混合后，與380ml酒精一起球磨27 35小時，然后經噴霧干燥、壓制 以及燒結，獲得的含硼硬質合金強度為1950MPa，硬度HV3為1670， KIC=10.00Mpm—1/2。對比例2:同樣采用硬質相WC和TaC、粘接相Co,其粒度與上述實施例3 相同，含量分別為92.5%、 1,0%和6.5%。 WC、 TaC粉末與Co粉末均勻混合后， 再和380ml酒精一起球磨27 35小時，然后經噴霧干燥、壓制以及燒結，獲得 的硬質合金強度為1970MPa，硬度HV3為1580， KK=9. 9Mpm—1/2。通過對比發現，硬質合金中加入一定量的B元素后，組織和結構發生了改 變含硼合金微觀組織中B富集區WC晶粒明顯球形化，金相顯微鏡下，類似于 "n相"，即部分B形成了 "偽il相"，改變了 WC顆粒形貌，由原來的尖角 外形變成圓滑外形且分布均勻；同時部分B進入Co相晶格中，抑制了 fcc- y (面
心立方相)向hcp-y (密排六方相)的相轉變，使室溫下殘留的fcc-Co含量增 多，而fcc-Y的韌性要好于hcp-Y。硼元素可采用純硼粉、IVA、 VA、 VIA族 金屬元素的硼化物粉末中的一種或幾種復合的形式，在配料階段與WC、 Co混合 均勻，然后再與酒精混合球磨。WC顆粒的圓化，降低了變形過程中的應力集中；fcc-Y含量的增大，提高 了粘接相的韌性。這兩個因素共同作用使得合金的強度和韌性得到一定程度的 提高，其中抗彎強度提高約9%;同時均勻分布的"偽il相"提高了合金的硬度， 有助于改善其耐磨性。
權利要求
1、一種添加了硼元素的硬質合金，包括硬質相、粘接相，其特征在于所述硼元素與粘接相的質量百分比為0.01％～2％。
2、 如權利要求l所述的添加了硼元素的硬質合金，其特征在于所述硼元素與粘接相的質量百分比為0.05% 1% 。
3、 如權利要求1或2所述的添加了硼元素的硬質合金的制備方法，包括配料、球磨、干燥、壓制和燒結工序，其特征在于所述硼元素可采用純硼粉、IVA、 VA、 VIA族金屬元素的硼化物粉末中的一種或幾種復合的形式，在配料階 段與WC、 Co混合均勻，然后再與酒精混合球磨，
4、 如權利要求3所述的添加了硼元素的硬質合金的制備方法，其特征在于-所述純硼粉或金屬硼化物粉末的粒度最好不大于合金原料所用的WC粒度。
全文摘要
本發明提供了一種添加了硼元素的硬質合金及其制備方法，硼元素與粘接相的質量百分比為0.01％～2％，最好為0.05％～1％；制備方法包括配料、球磨、干燥、壓制和燒結工序，硼元素可采用純硼粉、TiB₂、CrB₂、WB、CoB中的一種或幾種復合的形式，在配料階段與WC、Co混合均勻，然后再與酒精混合球磨24~72小時；該硬質合金韌性基本不變而強度、硬度得到提高，或者強度、韌性、硬度同時得到提高。
文檔編號C22C29/06GK101104902SQ20071003557
公開日2008年1月16日 申請日期2007年8月17日 優先權日2007年8月17日
發明者周定良, 文 謝, 黃文亮 申請人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司