[发明专利]一种Zr元素增韧的WC-Ni3Al硬质合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质合金材料及其制备方法，特别是一种通过粉末冶金技术制备以WC为硬质相、以Zr增韧的Ni₃Al为粘结相的硬质合金及其制备方法。

背景技术

硬质合金由于其高强度、高硬度、高耐磨性和高红硬性，被广泛地用作切削刀具、矿山工具和耐磨零件等。现有的硬质合金材料主要是由基体WC和粘结相Co金属组成。由于Co对WC的润湿性好使其室温综合力学性能好，但Co属于战略资源，价格较为昂贵，且其在高温条件下容易出现软化、氧化、高温腐蚀等情况使得普通硬质合金材料在高温条件下出现易磨损而出现失效的情况。因而，在一定程度上限制了以Co作为粘结相的硬质合金的应用。与普通Co、Ni、Fe 粘结相金属相比，金属间化合物Ni₃Al具有高的抗磨损、抗腐蚀、抗氧化等优良性能，尤其Ni₃Al的屈服强度在峰值温度以下具有正温度效应，因而被认为是很有潜力的高温材料。由于金属间化合物Ni₃Al这些优异性能，以Ni₃Al为粘结相的WC基硬质合金充分显示了金属间化合物Ni₃Al粘结相和WC硬质相各自的优点而弥补或部分弥补了彼此的缺点，在腐蚀氧化环境下、高温环境中具有广阔的应用前景。

但是由于金属间化合物Ni₃Al低的室温脆性，使以Ni₃Al为粘结相的硬质合金的室温力学性能较低，为提高合金的力学性能，一般需要添加B、Cr、Zr等微合金化元素。如中国授权专利“一种WC-增韧增强Ni₃Al硬质合金及其制备”（授权公告号CN101560623B，授权公告日2011年7月20日），在其背景技术里面指出Zr不仅可以明显提高无硼Ni₃Al在室温和高温的屈服强度，还可以使Ni₃Al屈服强度的反常峰值温度增加。在该专利中是直接采用添加Zr粉末的方式。由于受Zr粉末粒度和较少的添加量（占总质量的0.05%～0.11%）的限制， Zr在粉末冶金制备工艺中很难进一步细化和进一步提高分散程度，因而会影响到韧化Ni₃Al的效果。同时，该专利采用的是机械合金化方法+快速烧结工艺制备方法，这种方法影响因素比较多，例如球磨类型、时间、介质、过程控制剂等参数，设备、操作复杂，且直接采用元素粉末制备Ni₃Al金属间化合物为粘结相的硬质合金，往往因为Ni、Al元素发生放热反应，使其工艺过程难以控制，不适合产业化生产。而采用以添加Ni₃Al预合金粉末的方式就可以解决这些问题，如中国授权专利“以镍-铝金属间化合物Ni₃Al为粘结相的硬质合金的制备方法”（授权公告号CN102140603B，授权公告日2012年12月19日）提供了一种采用Ni、Al元素粉末先制备出成分均匀、粒度细小碳化物和Ni₃Al的预合金混合粉末，可以避免单纯添加Ni₃Al金属间化合物预合金粉末、而其粒度粗大造成后续液相烧结过程中孔洞和“金属池”的产生。

范景莲等人于2008年第37卷第8期《稀有金属材料与工程》第1471-1474页上发表的文章“微量合金元素Ti、Zr对Mo合金性能和显微组织的影响”中提到了合金元素Zr 的添加方式对合金性能产生的影响。其指出ZrH₂颗粒脆性较Zr颗粒大，在球磨过程中相对Zr 粉更易粉碎而被细化。同时，ZrH₂颗粒脱氢后可生成化学活性较高的Zr，由于Zr粒度细和活性高增加了其与氧的反应表面，这使得新生成的Zr在高温下很容易与坯体内的少量氧结合，生成氧化物第二相，形成Zr的氧化物越多，其对晶界的脆化作用越发显著，反而会导致强度有所下降。