用于制备硬质合金的原料粉以及硬质合金及其制备方法与流程

1.本发明涉及硬质合金的技术领域，尤其涉及具有使用段和夹持段的硬质合金的技术领域，具体而言，涉及用于制备硬质合金的原料粉以及硬质合金及其制备方法。


背景技术：

2.硬质合金是一种具有高硬度、强度、耐磨性的材料，广泛应用于现代工业体系当中。硬质合金刀具在使用时，可将其分为前端作为刃部用途的使用段和后端作为支撑用途的夹持段。实际应用过程中，使用前端作为刃部要求综合性能高，必须具备良好的切削性能，但后端仅做支撑用途，具备抗震抗折性即可。
3.目前的硬质合金圆棒作为硬质合金刀具的基础材料，通常使用单一材质生产，使用段刃部材料仅具备高耐磨性，不具备高强度，导致刀具的切削性能较差。并且，后端夹持段长度通常占据整支刀具的50％以上，在与使用段采用同样高性能材质的情况下会导致成本浪费。在某些加工领域，使用段和夹持段采用焊接方式连接，在一定程度上降低了夹持段的原料成本，但是这种加工方式使得使用段和夹持段的连接处的物相分布不均匀，使用段和夹持段的结合强度低(＜2000mpa)，导致硬质合金刀容易因杠杆原理在后端夹持段断裂失效。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供用于制备硬质合金的原料粉以及硬质合金及其制备方法，以解决现有技术中硬质合金的使用段性能差、使用寿命短和成本高的技术问题。
5.为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了用于制备硬质合金的原料粉，技术方案如下：
6.用于制备硬质合金的原料粉，所述硬质合金包括使用段和夹持段，所述原料粉包括用于制备所述使用段的第一组合物以及用于制备所述夹持段的第二组合物，其特征在于：
7.所述第一组合物和第二组合物均包括质量分数为60～96％的第一组分、2～30％的第二组分和0.5～10％的第三组分；其中，
8.所述第一组分为碳化钨和/或碳化钛；
9.所述第二组分为钴和/或镍；
10.所述第三组分为碳化钼、碳化钽、碳化铌、碳化钒、碳化铬、氮化钛和氮化钽中的任意几种；
11.所述第一组合物和第二组合物满足以下约束条件中的任意几个：
12.(1)粒度不相同；
13.(2)第一组分的质量分数和/或选型不同；
14.(3)第二组分的质量分数和/或选型不同；
15.(4)第三组分的质量分数和/或选型不同。
16.作为本发明第一方面的进一步改进，第一组合物的粒度＜第二组合物的粒度。
17.作为本发明第一方面的进一步改进，第一组合物的粒度为0.3～0.8μm；第二组合物的粒度为0.6～1.5μm。
18.作为本发明第一方面的进一步改进，第一组合物中第一组分为碳化钨，第二组合物中第一组分为碳化钛。
19.作为本发明第一方面的进一步改进，第一组合物中第二组分为钴，第二组合物中第二组分为镍；并且/或者，第一组合物中第二组分的质量分数小于第二组合物中第二组分的质量分数。
20.作为本发明第一方面的进一步改进，第一组合物中第三组分的质量分数大于第二组合物中第三组分的质量分数；并且/或者，第一组合物中第三组分的种类数量多于第二组合物中第三组分的种类数量。
21.作为本发明第一方面的进一步改进，所述第一组合物和第二组合物均包括质量分数为80～92％的第一组分、3～12％的第二组分和0.5～8％的第三组分。
22.作为本发明第一方面的进一步改进，使用段和夹持段的硬质合金磁饱和的差值≤5％，第一组合物和第二组合物的粉末流速的差值≤5s。
23.为了实现上述目的，根据本发明的第二个方面，提供了硬质合金的制备方法，技术方案如下：
24.硬质合金的制备方法，包括步骤：
25.获取上述第一方面所述的原料粉；
26.分别对第一组合物和第二组合物进行球磨处理；
27.将第一组合物和第二组合物装入模具中压制为坯体；
28.将坯体烧结，即得到具有使用段和夹持段的硬质合金。
29.为了实现上述目的，根据本发明的第三个方面，提供了硬质合金，技术方案如下：
30.硬质合金，由上述第一方面所述的原料粉制备得到，或由上述第二方面所述的制备方法制备得到。
31.首先，在本发明中，硬质合金的使用段和夹持段采用同系列的原料粉和同步的烧结工艺下通过粉末冶金相结合，所得硬质合金的使用段和夹持段的连接处的微观组织结合紧密，微观性质更加趋于一致，因此，硬质合金不易因杠杆原理断裂失效，显著延长硬质合金的使用寿命。
32.其次，本发明的硬质合金的使用段和夹持段虽然采用了同系列的原料粉，但是本发明进一步从原料粉的粒度、质量分数和选型上进行调控，既降低了夹持段的原料成本，又确保了夹持段的支撑效果以及使用段的耐磨性和强度，确保使用效果。
33.可见，本发明从制备硬质合金的原料粉进行改进，可采用现有的粉末烧结工艺，技术方案简单易实施，高效解决了现有技术中硬质合金的使用段性能差、使用寿命短和成本高的技术问题，具有极强的实用性。
34.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
35.构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
36.图1为实施例1的硬质合金的金相照片。
37.图2为实施例2的硬质合金的金相照片。
38.图3为实施例3的硬质合金的金相照片。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
40.本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
41.此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
42.关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
43.本发明的用于制备硬质合金的原料粉的具体实施方式为：所述硬质合金包括使用段和夹持段，所述原料粉包括用于制备所述使用段的第一组合物以及用于制备所述夹持段的第二组合物，所述第一组合物和第二组合物均包括质量分数为60～96％的第一组分、2～30％的第二组分和0.5～10％的第三组分；其中，所述第一组分为碳化钨(wc)和/或碳化钛(tic)；所述第二组分为钴(co)和/或镍(ni)；所述第三组分为碳化钼(mo2c)、碳化钽(tac)、碳化铌(nbc)、碳化钒(vc)、碳化铬(cr3c2)、氮化钛(tin)和氮化钽(tan)中的任意几种；所述第一组合物和第二组合物满足以下约束条件中的任意几个：(1)粒度不相同；(2)第一组分的质量分数和/或选型不同；(3)第二组分的质量分数和/或选型不同；(4)第三组分的质量分数和/或选型不同。
44.关于约束条件(1)，优选使第一组合物的粒度＜第二组合物的粒度。由此，通过使第一组合物采用更小的粒度，有助于形成切削性能更高的使用段，而粒度相对较大的第二组合物则可以降低原料成本。进一步优选地是，第一组合物的粒度为0.3～0.8μm；第二组合物的粒度为0.6～1.5μm，由此，易于获取，成本较低，且使用段和夹持段的连接处的差异性较小，使用段的耐磨性和强度高。
45.关于约束条件(2)，优选使第一组合物中第一组分为碳化钨，第二组合物中第一组分为碳化钛。经验证，在第二组分和第三组分的含量和选型相同时，由碳化钨制备得到的硬质合金具有优于由碳化钛制备得到的硬质合金的耐磨性和硬度。
46.关于约束条件(3)，优选使第一组合物中第二组分为钴，第二组合物中第二组分为镍；并且/或者，第一组合物中第二组分的质量分数小于第二组合物中第二组分的质量分数。
47.例如，第一组合物中第二组分的质量分数等于第二组合物中第二组分的质量分数，第一组合物中第二组分为钴，第二组合物中第二组分为镍；第一组合物中第二组分的质
量分数小于第二组合物中第二组分的质量分数，第一组合物和第二组合物中第二组分均为钴；第一组合物中第二组分的质量分数小于第二组合物中第二组分的质量分数，第一组合物中第二组分为钴，第二组合物中第二组分为镍。
48.关于约束条件(4)，优选使第一组合物中第三组分的质量分数大于第二组合物中第三组分的质量分数；并且/或者，第一组合物中第三组分的种类数量多于第二组合物中第三组分的种类数量。
49.例如，第一组合物中第三组分的种类数量等于第二组合物中第三组分的种类数量，第一组合物中第三组分的质量分数大于第二组合物中第三组分的质量分数；第一组合物中第三组分的种类数量多于第二组合物中第三组分的种类数量，第一组合物中第三组分的质量分数等于第二组合物中第三组分的质量分数；第一组合物中第三组分的种类数量多于第二组合物中第三组分的种类数量，第一组合物中第三组分的质量分数大于第二组合物中第三组分的质量分数。
50.为了减少使用段和夹持段的连接处的差异性，且第一组分的占比最高，对硬质合金的性能影响最大，因此，优选使第一组合物中第一组分的质量分数等于第二组合物中第一组分的质量分数，这样可以在确保使用寿命的前提下简化调控第二组分和第三组分的质量分数和选型的过程。
51.为了尽可能缩小使用段和夹持段的连接处的差异性，优选使第一组合物和第二组合物满足上述约束条件中的任意一个或任意两个即可。
52.优选地，所述第一组合物和第二组合物均包括质量分数为80～92％的第一组分、3～12％的第二组分和0.5～8％的第三组分。由此，使用段具有更好的耐磨性和强度。
53.优选地，使用段和夹持段的硬质合金磁饱和的差值≤5％，第一组合物和第二组合物的粉末流速的差值≤5s。由此，进一步减小因粒度、质量分数和选型上的差异而造成的使用段和夹持段的连接处的不一致性。
54.本发明的硬质合金的制备方法的具体实施方式为包括步骤：
55.step100，获取上述的原料粉，根据所需的约束条件，得到对应的第一组合物和第二组合物；
56.step200，分别对第一组合物和第二组合物进行球磨处理；为了便于后续的压制，优选加入少量(第一组合物或第二组合物总量的2％)的石蜡或peg混入第一组合物和第二组合物中，并且在球磨完成后进行喷雾干燥；优选的球磨工艺为采用酒精进行湿磨，具体湿磨时间根据所需粒度进行控制。
57.step300，将第一组合物和第二组合物装入模具中压制为坯体；优选的压制工艺为：采用双腔料斗进行模压压制，压制压力为10～40t。
58.step400，将坯体烧结，即得到具有使用段和夹持段的硬质合金；优选的烧结工艺为：第一阶段：用1～3℃/min的速度升温至炉温320～360℃，保温2～6h；第二阶段：用1～3℃/min的速度再升温至产品出现液相；第三阶段：向炉内通入1.5kpa压力的高纯氩气，再用1～3℃/min的速度升温至最终烧结温度1400～1450℃，保温10～30分钟；第四阶段：向炉内通入5mpa压力的高纯氩气，保温30～60分钟，自然冷却后即得到硬质合金。
59.本发明的硬质合金的具体实施方式为：由上述的原料粉制备得到，或由上述的制备方法制备得到。硬质合金优选但是不限于呈圆柱形或长方体形，圆柱形硬质合金的直径
为2～25mm，长度为20～200mm，长方体形硬质合金的长度为20～200mm，宽为2～20mm，高为1～10mm。使用段的长度占比优选为10～50％。对硬质合金进行进一步加工，即可得到所需的硬质合金刀具，如标准系列钻头、标准立铣刀、标准铰刀、标准丝锥、合金球齿、pcd刀杆、抗震刀杆等。
60.以下通过具体的实施例来说明本发明的有益效果。
61.实施例1-11采用相同的制备工艺来制备硬质合金，硬质合金的总长度以及使用段和夹持段长度相同，对应的原料粉配比以及硬质合金的性能数据见表1和表2。
62.其中，实施例1-7中每个实施例各自的使用段和夹持段的原料粉配比相同，仅第一组合物和第二组合物的粒度不同。实施例1-3之间的区别仅在于使用段和夹持段的原料粉粒度不同，实施例4-7与实施例1之间的区别在于第一组分、第二组分和第三组分的配比不同。对照例与实施例4的区别在于第一组合物和第二组合物的粒度不同。实施例8的使用段和夹持段的区别在于第一组分不同。实施例9的使用段和夹持段的区别仅在于第二组分不同。实施例10的使用段和夹持段的区别仅在于使用段的第二组分的质量分数更小且第三组分的质量分数更大。实施例11的使用段和夹持段的区别仅在于添加剂的种类不同。经验证，实施例1-11和对照例的使用段和夹持段的硬质合金磁饱和的差值≤5％，第一组合物和第二组合物的粉末流速的差值≤5s。
63.表1
[0064][0065]
表2
[0066][0067]
经验证，实施例1-11的硬质合金均具备较好的硬度和强度，说明本发明的原料粉在按照一定的配比和特定的约束条件进行选择时，能够获得具备优异性能的硬质合金。
[0068]
图1-3分别是实施例1-3的硬质合金的金相照片，该金相照片显示出所得硬质合金的使用段和夹持段的连接处物相分布较为均匀。
[0069]
进一步将实施例1-11的硬质合金圆棒加工为6mm*75mm标准立铣刀，测试其使用寿命。分别测试7075铝合金7小时和测试316l不锈钢4小时，磨损值小，工件表面平滑无毛刺，刀具未出现断裂、崩损等异常情况，达到标准使用寿命。
[0070]
所述“磁饱和”的含义是材料中磁性钴的百分含量，用％co表示；采用国标《gb/t23369-2009硬质合金磁饱和(ms)测定的标准试验方法》进行测试。
[0071]
所述“流速”的含义是50g硬质合金粉末流过具有孔径的标准漏斗所需的时间，用秒(s)表示。采用国标《gbt 1482-1984金属粉末流动性的测定标准漏斗法(霍尔流速计)》进行测试。
[0072]
所述“硬度”的含义是金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力，采用国标《gb/t3849.1-2015硬质合金洛氏硬度试验(a标尺)第1部分》进行测试。
[0073]
所述“强度”的含义是表征材料抵抗弯曲不断裂的能力，采用国标《gb/t 3851-2015硬质合金横向断裂强度测定方法》进行测试。
[0074]
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。