CN107805749B - 一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料 - Google Patents
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Abstract
一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料，其特征在于：该硬质合金基体材料是一种由WC相、γ相以及η相组成的三相组织合金；Co所占重量百分比8~16%，WC所占重量百分比84~92%，WC的晶粒度0.5~3.0μm；总碳的质量百分含量5.50~6.05%，磁饱和为110~140 emu/g；η相含量占基体材料总体积的0.02%~0.2%，并且按照GB/T 3489及ISO 4499‑4标准执行，η相的尺寸不超过25μm。采用本发明的硬质合金基体材料合成PcBN复合体后，PcBN复合体结合面或PcBN层内不再出现喷射现象，提高了PcBN产品上下层结合强度，延长了PcBN复合刀具材料的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种WC-Co硬质合金材料，属于粉末冶金领域，具体涉及一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料，该硬质合金基体材料用于聚晶立方氮化硼复合体（PcBN，Polycrystalline cubic Boron Nitride）的超硬刀具行业。在PcBN复合体中，PcBN硬度仅次于金刚石，但具有金刚石无法比拟的与铁族元素惰性，以及更好的热稳定性。硬质合金基体对于超硬材料来说，一方面为PcBN提供良好的韧性支撑、提高钎焊于刀柄的可焊性，另一方面其良好的导热性可以减少工作面PcBN的热量集中，有利于处延长使用寿命。
背景技术
PcBN复合材料广泛应用于机械、汽车、航空航天、军工行业，以及难加工材料等加工领域，特别是对于钢材、铸铁等铁族元素（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni ）材料加工领域，不仅切削效率高、加工表面质量高，而且切削力小，有利于加工精度和设备寿命，同时其“以车代磨、干式切削”的特点符合环保节能的要求，被喻为最理想的切削刀具材料。确切地说，PcBN复合体是指由cBN微粉在有或无粘结剂的情况下，以WC-Co硬质合金基体为衬底，在5.0~10.0GPa，1300~1800℃的高温高压条件下通过Co的液相烧结而成，此过程称为高温高压合成，简称合成。PcBN的合成原理是在高温高压下，cBN微粉之间的接触部分，形成cBN-cBN键合的聚晶cBN层，即PcBN层，同时WC-Co硬质合金基体中Co相（确切地说是γ相）在液相烧结条件下，液相通过毛细管现象迁移到cBN微粉的空隙之中，形成PcBN层与合金基体的牢固结合，即PcBN与WC-Co硬质合金的烧结复合体，简称PcBN。此合成后的PcBN复合材料克服了cBN的各向异性和存在解理面的缺陷，但保留了cBN的硬度与耐磨性，也兼有硬质合金的高冲击韧性、易加工和易钎焊的优点。
由上述PcBN的合成原理可以看出，合金基体中的Co相迁移虽然将PcBN层与合金基体接合在一起，但Co相进入cBN微粉之间的空隙，却阻碍了cBN间的接触，对减少了cBN-cBN之间形成键合的机会，降低了cBN层的品质。由于cBN微粉之间的空隙大小不一，受压也不一，加上各处的受热不一，Co相液化的时间也不一，导致在PcBN层内及结合界面处往往出现喷射现象。由于液相Co会携带WC晶粒塑性流动，这种喷射组织其实是硬质合金，见附图1（图中的样品PcBN层已破损）。这种喷射的硬质合金组织破坏了PcBN层内PcBN组织的连续性，即可以看成是缺陷源，脱层、破裂往往由此处产生，见附图2。特别是Co含量高、WC晶粒度相差较大、C含量较高的合金用于合成PcBN时，由于Co的液相多，而且液相出现早，加上WC晶粒的大小偏差大溶解析出现象剧烈，这种喷射的硬质合金组织，WC晶粒呈针状或竹叶状（见附图2），在其尖端易形成应力集中，不仅影响与PcBN层的结合强度，而且影响PcBN层连续性，进一步地将影响刀具的切割、开刃等后加工的精度，使PcBN刀具应用受到限制。
发明内容
针对上述在PcBN复合体结合面或PcBN层内出现喷射现象，从而降低PcBN与合金基体的结合强度影响PcBN复合体使用寿命的问题，本发明提供了一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料，该硬质合金基体材料的WC晶粒更加均匀，Co含量较低，C含量偏低以及具有适量缺碳相（η相），本发明硬质合金基体材料用于合成聚晶立方氮化硼复合体（也叫PcBN复合体）。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料，该硬质合金基体材料是一种由WC相、γ相以及η相组成的三相组织合金；在所述硬质合金基体材料中，Co所占重量百分比为8~16%，WC所占重量百分比为84~92%，WC的晶粒度为Fsss 0.5~3.0μm；所述硬质合金基体材料的总碳的质量百分含量为5.50~6.05%，磁饱和为110~140 emu/g；所述η相含量占所述硬质合金基体材料总体积的0.02%~0.2%，并且按照GB/T 3489及ISO 4499-4标准执行，所述η相的尺寸不超过25μm。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，Fsss表示费氏粒度。
2、上述方案中，所述硬质合金基体材料中还包括晶粒抑制剂，所述Co所占重量百分比为8~16%，WC所占重量百分比为83~91%，晶粒抑制剂所占重量百分比为0.1~2%，所述晶粒抑制剂选自NbC、VC、Cr3C2以及TaC中至少一种。
3、上述方案中，所述η相为η1相、η2相以及η3相中至少一种；所述η1相的成分为Co3W3C、Co2W4C以及Co3W6C中至少一种，所述η2相的成分为Co6W6C，所述η3相的成分为Co3W6C4、Co3W9C4以及Co2W8C中至少一种。上述Co3W3C、Co2W4C、Co3W6C、Co6W6C、Co3W6C4、Co3W9C4以及Co2W8C这些化学式的写法是根据化学计量数而写成。
4、上述方案中，所述硬质合金基体材料包括Ni和/或Fe以取代部分或全部的Co；所述硬质合金基体材料也包括TiC或TiN或Ti(C,N) 以取代部分或全部的WC的金属陶瓷类材料。
5、上述方案中，所述η相即指缺碳相，所述η相的尺寸不超过25μm，即指按照GB/T3489及ISO 4499-4标准执行，100X金相评价不宜超过类A06B02C00。
6、上述方案中，所述硬质合金基体材料的制备可通过下列几种方法实现：含有η相的原材料粉末，总碳偏低的WC，WC与Co配料时调整碳含量，氢气烧结脱碳，混合料和压坯中增加水分含量或氧消耗粉料中的碳，以及调节烧结工艺（例如脱脂、预烧、烧结中加大氢气流量）等方法的一种或几种方法的组合来实现出现适量η相的目的。
7、上述方案中，所述γ相是指WC、W在Co中的固溶组织，或W元素、C元素在Co相中的固溶组织。
8、上述方案中，所述WC的晶粒度为Fsss 0.5~3.0μm，但不允许有大于费氏粒度5倍以上的WC晶粒存在，也就是说，在烧结成硬质合金之后WC的最大晶粒不超过平均晶粒的5倍。
本发明的设计原理是：一般来说，WC-Co硬质合金正常相组织为WC相，及γ相两相组成。当合金中的C含量过量时，为WC相+γ相+C（渗碳石墨相）；当合金中的C含量缺少时，为WC相+γ相+η相（缺碳相）。这两种三相组织合金相比WC+γ的两相组织合金，抗弯强度较差，因此，在实际生产中均为WC+γ两相组织合金，而WC相+γ相+η相的合金则被认为是废品。目前无资料显示，WC相+γ相+η相三相合金作为合格品出厂应用。
但众所周知，WC-Co硬质合金中的C含量影响着W在γ相中的溶解度，在富碳合金中，W在Co的溶解度仅为4%，而在缺碳合金中则高达16%。当WC-Co硬质合金低碳，或者稍微缺碳出现少量η相时，大量的W元素以WC相、W2C相或者W相溶解到粘结相Co当中，起到了固溶强化的效果，使WC-Co硬质合金整体展现出较高的弹性模量、高温硬度、抗腐蚀性和耐磨性，也强化了因塑性流动而进入PcBN层中的γ相性能，进而加强了PcBN层。
另一方面，WC-Co硬质合金中的C含量影响着Co出现液相的温度，即在PcBN合成中使用C含量较低的合金，将延后Co的液相出现时间，此时PcBN微粉已充分受到高压，之间的空隙较为固定，在随后的高温段，溶解大量W元素（以WC相、W2C相或者W相）、得到强化的γ相迁移到PcBN层时，不再可能出现巨大的喷射现象。
因此，本发明的硬质合金基体材料需同时具备含有适量η相、总碳含量偏低以及Co含量较低的条件，尤其是η相和总碳含量偏低这两个条件一起配合，目的使本发明的硬质合金基体材料在合成PcBN复合体之后，解决PcBN复合体结合面或PcBN层内出现喷射现象，从而降低PcBN与合金基体的结合强度影响PcBN复合体使用寿命的问题。总而言之，本发明的特点总结如下：
（1）较低的Co含量，偏低的C含量或适量缺碳相（η相）减少了出现液相后的量，并延后了Co的液相出现时间，以及，此时PcBN微粉已充分受到高压，之间的空隙较为固定，不会再有较大空隙，因而杜绝了喷射现象的发生。
（2）由于合金基体低碳或适度缺碳，大量的W元素以WC相、W2C相或者W相溶解到粘结相Co当中，起到了固溶强化的效果，强化了因塑性流动而进入PcBN层中的γ相性能，进而加强了PcBN层。
（3）采用晶粒更加均匀的WC，在烧结成硬质合金之后WC的最大晶粒不超过平均晶粒的5倍，使得WC间填充的γ相更加均匀，在合成时提供迁移的γ相源更加均匀。同时，使迁移PcBN层cBN微粒间的γ相在合成冷却阶段，减轻了因WC晶粒之间大小偏差过大而引起的强烈溶解析出现象，不至于在PcBN层内形成容易应力集中的针状或竹叶状WC晶粒聚集的喷射现象。
（4）本发明控制η相含量占硬质合金基体材料总体积的0.02%~0.2%，η相含量少，这是因为过量的η相，将使合金基体的性能急剧下降，失去对PcBN层的支撑作用。η相的含量随基体合金牌号（Co含量、WC含量以及粒度，抑制剂类型及含量）的不同而不同。而且，η相为缺碳相，在PDC合成过程中，PCD层的部分C反向迁移与η相产生反应，可消除η相。以主要成分为Co3W3C的η1相为例，其消除η相的原理为：Co3W3C+2C→3WC+3Co。
本发明的有益效果是：采用本发明的硬质合金基体材料合成聚晶立方氮化硼复合体（即PcBN复合体）后，PcBN复合体结合面附近或PcBN层内不再出现喷射现象，提高了PcBN产品上下层的结合强度，以及PcBN层的品质，延长了PcBN复合刀具材料的使用寿命，为企业带来较好的经济效益。
附图说明
附图1为现有技术的PcBN结合面及PcBN层内的喷射组织的微观组织照片，100X，标号1处表示硬质合金基体，标号2处表示PcBN层内的喷射组织；
附图2为现有技术的PcBN层内的喷射组织的微观组织照片，2000X，标号1处表示PcBN层，标号2处表示喷射组织；
附图3为实施例1含η1相的硬质合金基体的微观组织照片，标号1处表示正常合金组织，标号2处表示点状缺碳相（η相）；
附图4为实施例1合成PcBN复合体后在金相显微镜下的效果图一，200X，标号1处表示硬质合金基体，标号2处表示PcBN层；
附图5为实施例1合成PcBN复合体后在金相显微镜下的效果图二，2000X，标号1处表示硬质合金基体，标号2处表示PcBN层。
具体实施方式
下面及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料
该硬质合金基体材料是一种由WC相、γ相以及η相组成的三相组织合金；在所述硬质合金基体材料中，Co所占重量百分比为8%，WC所占重量百分比为92%，WC的晶粒度为Fsss1.3μm；所述硬质合金基体材料的总碳的质量百分含量为6.00%，磁饱和为116 emu/g；所述η相含量占所述硬质合金基体材料总体积的0.2%，并且按照GB/T 3489及ISO 4499-4标准执行，所述η相的尺寸不超过25μm。具体做法为：
将含碳量为6.13%的WC粉（粒度1.3μm）、Co粉，以及粒度1.0μm的W粉，配置成6.00 %的总碳量、含钴量为8%的混合粉末，然后通过加大氢气量的脱碳烧结工艺制成零件号为J4803-13的PcBN刀具用合金基体。检测的磁饱和为116emu/g，金相GB/T 3489标准评价为类A06B00C00的η相，见附图3。
使用此合金基体合成PcBN后进行金相检测，结合面处及PcBN层内无喷射现象发生（见附图4、附图5），PcBN与合金基体结合良好。在生产线上，此批产品合成后的脱层废品率由原来的4%下降到0.6%；在后续的电光花线切割成PcBN刀粒的工序上，因导电不均而形成的废品率由原来的3.5%下降到1.8%；在切削Cr12MoV合金钢的实验中，寿命提高了7%。
实施例2：一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料
该硬质合金基体材料是一种由WC相、γ相以及η相组成的三相组织合金；在所述硬质合金基体材料中，Co所占重量百分比为12%，WC所占重量百分比为87.5%，晶粒抑制剂TaC所占重量百分比为0.5%，，WC的晶粒度为Fsss 0.8μm；所述硬质合金基体材料的总碳的质量百分含量为5.65%，磁饱和为121emu/g；所述η相含量占所述硬质合金基体材料总体积的0.06%，并且按照GB/T 3489及ISO 4499-4标准执行，所述η相的尺寸不超过10μm。所述η相为η1相和η2相组成，η1相的成分为Co3W6C，η2相的成分为Co6W6C。具体做法为：
将含碳量为6.18%的WC粉（粒度0.8μm）、Co粉，以及粒度1.1μm的W粉，配置成5.65%的总碳量、YG12的混合粉末，使用纯度为95%的酒精作为球磨介质进行滚动球磨，并制成混合料。由于粒度仅为0.8μm，粉末吸附的氧气较多，加上酒精含5%水分，水分对碳也有消耗，通过正常烧结工艺即可制成含η相的三相硬质合金。按上述方法抽取的硬质合金YG12，磁饱和为121 emu/g；所述η相含量占所述硬质合金基体材料总体积的0.06%，并且按照GB/T3489及ISO 4499-4标准执行，所述η相的尺寸不超过10μm，可评价为类A04B00C00。所述η相为η1相和η2相组成，η1相的成分为Co3W6C，η2相的成分为Co6W6C。此三相硬质合金进一步合成为潜孔钻用复合齿，在同等工况条件下钻深增加了12%以上。
根据上述实施例1~2，本领域技术人员可以知道所述硬质合金基体材料可以包括Ni和/或Fe以取代部分或全部的Co，所述硬质合金基体材料也可以包括TiC或TiN或Ti(C,N)以取代部分或全部的WC，也能实现与PCD的良好结合从而合成PDC。此外，本领域技术人员也能够根据硬质合金牌号的不同而选择所需的其他晶粒抑制剂，例如NbC、VC以及TaC。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料，其特征在于：该硬质合金基体材料是一种由WC相、γ相以及η相组成的三相组织合金；在所述硬质合金基体材料中，Co所占重量百分比为8~16%，WC所占重量百分比为84~92%，WC的晶粒度为Fsss 0.5~3.0μm；所述硬质合金基体材料的总碳的质量百分含量为5.50~6.05%，磁饱和为110~140 emu/g；所述η相含量占所述硬质合金基体材料总体积的0.02%~0.2%，并且按照GB/T 3489及ISO 4499-4标准执行，所述η相的尺寸不超过25μm。
2.根据权利要求1所述的一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料，其特征在于：所述硬质合金基体材料中还包括晶粒抑制剂，所述Co所占重量百分比为8~16%，WC所占重量百分比为87.5~91%，晶粒抑制剂所占重量百分比为0.1~2%，所述晶粒抑制剂选自NbC、VC、Cr3C2以及TaC中至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料，其特征在于：所述η相为η1相、η2相以及η3相中至少一种；所述η1相的成分为Co3W3C、Co2W4C以及Co3W6C中至少一种，所述η2相的成分为Co6W6C，所述η3相的成分为Co3W6C4、Co3W9C4以及Co2W8C中至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种聚晶立方氮化硼复合体的硬质合金基体材料，其特征在于：所述硬质合金基体材料包括Ni和/或Fe以取代部分或全部的Co；所述硬质合金基体材料也包括TiC或TiN或Ti(C,N) 以取代部分或全部的WC。
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