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一种镍代钴硬质合金材料及其制备方法和应用

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811516443.0国省代码:湖南 43
申请(专利权)人:株洲金韦硬质合金有限公司
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摘要:
本发明属于硬质合金生产技术领域,公开了一种镍代钴硬质合金材料及其制备方法和应用。本发明采用精炼石蜡作为成型剂,经过球磨、干燥制粒、压制成型、烧结制备得出一种成本低、性能高的硬质合金新材料;在制备过程中加入钼粉,改善镍粉与碳化钨粉的润湿性;并采用低温烧结、加压烧结进行烧结成型处理,采用氩气作载气,能够保证产品晶粒粒径小的同时减小产品孔隙度。

主权项:
1.一种镍代钴硬质合金材料,其特征在于,由以下重量百分比的合金成分组成:Co粉:4.5~6%,碳化铬:0.2~0.5%,镍粉:2.5~4%,钼粉:0.2~0.4%,碳化钨余量,上述所有合金成分之和为100%。


说明书

一种镍代钴硬质合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于硬质合金生产技术领域,更具体地,涉及一种镍代钴硬质合金材料及
其制备方法和应用。

背景技术

硬质合金由难熔金属硬质化合物和粘结金属(主要是钴)组成。由于硬质合金的需
求量越来越大,而世界钴资源很有限,寻找和研究钴的替代材料历来就是硬质合金研究和
生产中的一个具有方向性意义的课题。近年来,世界各国的专家学者都在研究新的硬质合
金材料的新资源,其中镍代钴成为研究热点。

然而,现有的部分镍代钴硬质合金在湿磨时会产生细颗粒镍粉里本不存在的大颗
粒镍聚集体,因而在烧结过程中会产生较大的尺寸孔隙。其产品机械性能不如钴粘结碳化
钨的合金、质量也不稳定且生产工艺控制困难。所以部分镍代钴硬质合金仅在它所擅长的
几个用量不大的行业中得到应用,如耐腐蚀合金、非强磁或无磁耐磨合金。

发明内容

针对现有技术中硬质合金生产技术的不足,本发明的目的在于提供一种镍代钴硬
质合金材料。本发明通过调整原料组成及配比,解决传统镍代钴硬质合金存在的产品硬度
低、耐磨性不够、强度低、产品孔隙多以及产品质量不稳定等问题。

本发明的另一目的在于提供一种上述镍代钴硬质合金材料的制备方法。本发明根
据特定的原料组成及配比,制定契合的生产工艺,避免烧结过程中产生较大的尺寸孔隙。

本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的镍代钴硬质合金材料在生产高
性能硬质合金细颗粒保径条中的应用。采用上述硬质合金材料生产的硬质合金细颗粒保径
条与纯钴作粘结金属的硬质合金细颗粒保径条性能相当。

本发明的目的通过以下技术方案实现:

一种镍代钴硬质合金材料,由以下重量百分比的合金成分组成:

Co粉:4.5~6%,

碳化铬:0.2~0.5%,

镍粉:2.5~4%,

钼粉:0.2~0.4%,

碳化钨余量,上述所有合金成分之和为100%。

进一步地,所述镍粉为羰基镍粉;所述钼粉为FMo-1钼粉。

进一步地,所述镍粉由以下重量百分比的元素组成:Fe:0~0.0015%,Co:0~
0.001%,C:0~0.15%,O:0~0.15%,S:0~0.0015%,Ni余量。

进一步地,所述镍代钴硬质合金材料由以下重量百分比的合金成分组成:

Co粉:4.5~5%,

碳化铬:0.4~0.5%,

镍粉:3~4%,

钼粉:0.2~0.3%,

碳化钨余量,上述所有合金成分之和为100%。

一种上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,包括以下步骤:

S1.配料:将碳化钨、碳化铬、镍粉、钴粉、钼粉按上述重量百分比进行配料,添加成
型剂,进行湿磨处理混合均匀,得到湿磨料浆;

S2.将S1的湿磨料浆进行过滤、筛分,并干燥制粒;

S3.压制成型:将经过筛网擦筛的料粒进行压制成型,得到半成品;

S4.烧结成型:将压制后的半成品放入烧结炉中烧结后,冷却后即得成品。

进一步地,步骤S1中,所述碳化钨的平均粒径为1.0~1.3μm;所述钼粉的平均粒径
为1.0~1.2μm。

因钴粉越细在合金中的分散性越好,又由于其他原材料主要成分的粒度为1.0~
1.3um的WC,属于细颗粒,钴粉越细,两者接触面积也就越大,合金韧性越好,从而保证了硬
质合金的韧度,同时制作的成本相较而言比较适宜;进一步地,所述Co粉的平均粒径为1.0
~1.2μm。

为了更利于压坯成型和抗弯强度的测量,更进一步地,所述成型剂为精炼石蜡。

由于镍粉对氢气敏感,在烧结阶段往往容易造成产品质量不稳定,更进一步地,所
述成型剂的添加量为硬质合金粉末重量的2.5~2.8%。本发明将石蜡添加量提升至2.5%,
高于传统工艺的2.0~2.2%,可以使烧结后的产品性能稳定。

进一步地,步骤S2所述湿磨处理工艺参数为:球料比为4~8:1,球磨介质为酒精,
酒精与碳化钨、碳化铬、镍粉、钴粉、钼粉所配成的原料液固比为0.2~0.5mL/kg,球磨时间
40~50h。

进一步地,步骤S2中,过滤、筛分和干燥制粒过程包括以下步骤:

S21.采用400~500目的不锈钢筛网过筛湿磨料浆,采用预过滤处理,对筛分物料
先进行过滤处理;

S22.将上述筛分物料置于密闭抽风干燥箱中,在温度为90~95℃下干燥8~12小
时;

S23.采用50~70目的不锈钢筛网过筛干燥后的混合料,采用预过滤处理,对筛分
物料先进行过滤处理。

在传统的镍代钴硬质合金烧结工艺中,由于镍粉与碳化钨粉的润湿性较差,烧结
时采用高温烧结,最高实际温度一般在1470~1480℃,以此来改善烧结后合金的孔隙度,但
这样的产品的晶粒粒径较大,硬度和耐磨性达不到标准,进一步地,步骤S4中,通入高压氩
气5.8MPa,采用低温烧结曲线烧结至1410~1440℃,保温时间25min,冷却至室温即得硬质
合金材料。

一种利用上述方法制备的镍代钴硬质合金材料在生产高性能硬质合金细颗粒保
径条中的应用。

本发明提供的镍代钴硬质合金材料中添加了一定比例的碳化铬粉末,在镍粉中添
加碳化铬可以有效的控制合金的蠕变,提高抗塑性变形能力;同时,碳化铬还能起到抑制碳
化钨晶粒长大的作用,从而使镍代钴硬质合金材料的强度、硬度和纯钴硬质合金相当。

本发明通过在配料时添加钼粉来改善镍粉与碳化钨粉的润湿性,在液相烧结阶段
通入高压氩气增压,这样烧结后的产品不仅晶粒粒径较小,保障了硬度和耐磨性,同时也可
以减小产品的孔隙度从而保障了强度。

本发明采用精炼石蜡,只要加热融化就可以直接加入湿磨机内,同时在石蜡工艺
制品烧结时,采用氩气作载气脱蜡,对石蜡进行回收处理,减少了危险和污染,同时提高了
产品的使用质量。

本发明将熔融石蜡直接加入已经湿磨发热的料浆的湿磨机里,与混合料一起湿
磨,因混合料浆的液体是乙醇,石蜡能溶于热乙醇中,经过长时间的湿磨混合,石蜡在湿磨
机里就能很均匀的包裹混合料粒,在经过干燥处理后形成一层石蜡包裹在原料表面,能够
很好的隔绝原料和空气,保护原料不会被氧化,能有效控制原料中的氧含量,保证制备的硬
质合金材料的质量。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:

本发明采用部分镍代钴制备新型硬质合金材料,由于镍矿藏丰富且价格便宜,有
效解决钴资源有限的问题;本发明通过科学合理设计原料组成及配比,改善现有镍代钴硬
质合金的大颗粒镍聚集现象,制备得到的镍代钴硬质合金材料具有硬度和强度高、耐磨性
好、产品孔隙少和产品质量稳定等优点。

本发明采用精炼石蜡作为成型剂,经过球磨、干燥制粒、压制成型、烧结制备得出
一种成本低、性能高的硬质合金新材料;并在烧结过程中采用氩气作载气,对石蜡进行回收
处理,减少了环境污染、消除了安全隐患问题,同时保证了硬质合金压制成形的性能和硬质
合金材料的质量,具有广泛和长远的应用前景。

本发明采用镍粉部分代替钴粉,制备硬质合金材料,根据镍粉的特殊性质,科学合
理设计石蜡添加量,从而减弱镍粉对氢气的敏感度,改善产品质量的稳定性;通过合理提高
球磨过程中的球料比,使得镍粉充分分散,防止出现镍粉聚集现象。

本发明根据镍代钴硬质合金材料的特殊性,采用不同于传统镍代钴硬质合金的烧
结工艺,利用低温烧结、加压烧结方法,能够避免烧结后合金的孔隙度大的缺陷,结合钼粉,
能够保证产品晶粒粒径小的同时减小产品孔隙度,在该烧结工艺下得到的镍代钴硬质合金
材料硬度高达HRA 91.3,能够和纯钴硬质合金相媲美。

说明书附图

图1为实施例1制备的镍代钴硬质合金材料金相图;

图2为实施例1制备的镍代钴硬质合金材料金相图。

具体实施方式

为了便于理解本发明,下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述,但本发
明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义
相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不旨在限制本发明的
保护范围。

除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市
场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

以下实施例中,所述低温烧结曲线均采用以下具体工艺步骤:

第一次升温:温度为20~300℃,升温时间为60min,保温时间为210min,氢气为保
护气氛,氢气流量为60L/min;

第二次升温:温度为300~450℃,升温时间为210min,保温时间为110min,氢气为
保护气氛,氢气流量为60L/min;

第三次升温:温度为450~550℃,升温时间为60min,保温时间为60min,氢气为保
护气氛,氢气流量为60L/min;

第四次升温:温度为550~600℃,升温时间为60min,保温时间为30min,氢气为保
护气氛,氢气流量为60L/min;

第五次升温:温度为600℃,保温时间为80min,通入氩气作为保护气氛,将剩余氢
气排出,氩气流量为100L/min;

第六次升温:温度为600~1150℃,升温时间为110min,保温时间为50min,氩气作
为保护气氛,氩气流量为100L/min;

第七次升温:温度为1150~1350℃,升温时间为50min,保温时间为20min,氩气作
为保护气氛,氩气流量为100L/min;

第八次升温:温度为1350~1440℃,升温时间为45min,保温时间为20min,氩气作
为保护气氛,氩气流量为100L/min;

液相烧结阶段:温度为1440℃,保温时间为25min,通入高压氩气5.8MPa,氩气流量
为100L/min。

实施例1

本实施例提供一种镍代钴硬质合金材料,由以下重量百分比的合金成分组成:Co
粉:5%,碳化铬:0.4%,镍粉:3%,钼粉:0.3%,碳化钨余量,上述所有合金成分之和为
100%;其中,镍粉为羰基镍粉,优选为FNiT04,镍粉由以下重量百分比的元素组成:Fe:
0.0005%,Co:0.0002%,C:0.1%,O:0.05%,S:0.0010%,Ni余量;钼粉优选为FMo-1钼粉;
碳化钨的平均粒径为1.0μm,Co粉的平均粒径为1.1μm,钼粉的平均粒径为1.0μm。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,包括以下步骤:

S1.配料:将碳化钨、碳化铬、镍粉、钴粉、钼粉按上述重量百分比进行配料,添加成
型剂,进行湿磨处理混合均匀,得到湿磨料浆;成型剂优选为精炼石蜡,精炼石蜡的添加量
为硬质合金粉末重量的2.5%;湿磨处理工艺参数为:球料比为6:1,球磨介质为酒精,酒精
系数为0.2mL/kg,球磨时间50h;

S2.将S1的湿磨料浆进行过滤、筛分,并干燥制粒;

S21.采用400目的不锈钢筛网过筛湿磨料浆,采用预过滤处理,对筛分物料先进行
过滤处理;

S22.将上述筛分物料置于密闭抽风干燥箱中,在温度为90~95℃下干燥8~12小
时;

S23.采用50目的不锈钢筛网过筛干燥后的混合料,采用预过滤处理,对筛分物料
先进行过滤处理;

S3.压制成型:将经过筛网擦筛的料粒进行压制成型,得到半成品;

S4.烧结成型:通入高压氩气5.8MPa,采用低温烧结曲线烧结至1440℃,保温时间
25min,冷却至室温即得硬质合金材料。

实施例2

本实施例提供一种镍代钴硬质合金材料,由以下重量百分比的合金成分组成:Co
粉:4.5%,碳化铬:0.2%,镍粉:4%,钼粉:0.2%,碳化钨余量,上述所有合金成分之和为
100%;其中,镍粉为羰基镍粉,优选为FNiT04,镍粉由以下重量百分比的元素组成:Fe:
0.0010%,Co:0.0004%,C:0.15%,O:0.10%,S:0.0005%,Ni余量;钼粉优选为FMo-1钼粉;
碳化钨的平均粒径为1.3μm,Co粉的平均粒径为1.0μm,钼粉的平均粒径为1.2μm。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤。

实施例3

本实施例提供一种镍代钴硬质合金材料,由以下重量百分比的合金成分组成:Co
粉:6%,碳化铬:0.5%,镍粉:2.5%,钼粉:0.4%,碳化钨余量,上述所有合金成分之和为
100%;其中,镍粉为羰基镍粉,优选为FNiT04,镍粉由以下重量百分比的元素组成:Fe:
0.0015%,Co:0.001%,C:0.15%,O:0.15%,S:0.0015%,Ni余量;钼粉优选为FMo-1钼粉;
碳化钨的平均粒径为1.2μm,Co粉的平均粒径为1.2μm,钼粉的平均粒径为1.1μm。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤。

实施例4

本实施例提供一种镍代钴硬质合金材料,镍代钴硬质合金材料的合金成分均参照
实施例1中重量百分比的合金成分。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤,主要区别在于:
步骤S1中,精炼石蜡的添加量为硬质合金粉末重量的2.8%;湿磨处理工艺参数为:球料比
为4:1,球磨介质为酒精,酒精系数为0.4mL/kg,球磨时间40h;步骤S4中,采用低温烧结曲线
烧结至1410℃。

实施例5

本实施例提供一种镍代钴硬质合金材料,镍代钴硬质合金材料的合金成分参照实
施例1中重量百分比的合金成分。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤,区别在于:步骤
S1中,精炼石蜡的添加量为硬质合金粉末重量的2.7%;湿磨处理工艺参数为:球料比为8:
1,球磨介质为酒精,酒精系数为0.5mL/kg,球磨时间45h;步骤S4中,采用低温烧结曲线烧结
至1420℃。

实施例6

本实施例提供一种镍代钴硬质合金材料,镍代钴硬质合金材料的合金成分参照实
施例1中重量百分比的合金成分。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤,区别在于:步骤
S1中,精炼石蜡的添加量为硬质合金粉末重量的2.6%;湿磨处理工艺参数为:球料比为5:
1,球磨介质为酒精,酒精系数为0.3mL/kg,球磨时间48h;步骤S4中,采用低温烧结曲线烧结
至1430℃。

对比例1

本对比例提供一种镍代钴硬质合金材料,主要区别在于,镍代钴硬质合金材料由
以下重量百分比的合金成分组成:Co粉:3.5%,碳化铬:0.1%,镍粉:2%,钼粉:0.1%,碳化
钨余量,上述所有合金成分之和为100%;上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施
例1的操作步骤。

对比例2

本对比例提供一种镍代钴硬质合金材料,主要区别在于,镍代钴硬质合金材料由
以下重量百分比的合金成分组成:Co粉:7%,碳化铬:0.8%,镍粉:5%,钼粉:0.5%,碳化钨
余量,上述所有合金成分之和为100%;上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1
的操作步骤。

对比例3

本对比例提供一种纯钴硬质合金材料,纯钴硬质合金材料由以下重量百分比的合
金成分组成:Co粉:5%,碳化铬:0.4%,钼粉:0.3%,碳化钨余量,上述纯钴硬质合金材料的
制备方法,参照实施例3的操作步骤。

对比例4

本对比例提供一种镍代钴硬质合金材料,镍代钴硬质合金材料的合金成分参照实
施例1中重量百分比的合金成分。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤,主要区别在于:
步骤S1中,精炼石蜡的添加量为硬质合金粉末重量的2.2%。

对比例5

本对比例提供一种镍代钴硬质合金材料,镍代钴硬质合金材料的合金成分参照实
施例1中重量百分比的合金成分。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤,主要区别在于:
步骤S1中,精炼石蜡的添加量为硬质合金粉末重量的3.0%。

对比例6

本对比例提供一种镍代钴硬质合金材料,镍代钴硬质合金材料的合金成分参照实
施例1中重量百分比的合金成分。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤,主要区别在于:
步骤S1中,球料比为3:1。

对比例7

本对比例提供一种镍代钴硬质合金材料,镍代钴硬质合金材料的合金成分参照实
施例1中重量百分比的合金成分。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤,主要区别在于:
步骤S1中,球料比为9:1。

对比例8

本对比例提供一种镍代钴硬质合金材料,镍代钴硬质合金材料的合金成分参照实
施例1中重量百分比的合金成分。

上述镍代钴硬质合金材料的制备方法,参照实施例1的操作步骤,主要区别在于:
步骤S4中,采用低温烧结曲线烧结至1480℃。

对实施例1制备得到的镍代钴硬质合金材料进行金相组织观察,具体观察结果见
图1~2。

由图1~2可以看出,本发明提供的镍代钴硬质合金材料中加入钼粉,并在制备过
程中采用低温烧结结合加压烧结处理,保证产品晶粒粒径小的同时减小产品孔隙度,得到
的硬质合金金相组织结构更好、晶粒更加均匀。

对实施例1~6及对比例1~8制备得到的镍代钴硬质合金材料进行各项性能检测,
其中,包括矫顽力、钴磁、孔隙度、洛氏硬度和晶粒粒径等性能,具体检测结果见表1。

表1


从上表可以看出,本发明根据镍代钴硬质合金材料的特殊性,采用不同于传统镍
代钴硬质合金的烧结工艺,利用低温烧结、加压烧结方法,能够避免烧结后合金的孔隙度大
的缺陷,结合钼粉,能够保证产品晶粒粒径小的同时减小产品孔隙度,在该烧结工艺下得到
的镍代钴硬质合金材料硬度高达HRA 91.3,能够和纯钴硬质合金相媲美。

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图1
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