基于多物理场活化烧结制备WCNI微型零件及其制备方法.pdf

本发明公开了一种基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件及其制备方法，该方法将WC粉末及相应质量Ni粉末采用湿磨法混合，称重后将混合粉末填装于模具中，然后在真空度≤0.01Pa和在模具两端施以20～100MPa的作用力的条件下，对装有WC-Ni混合粉末的模具通交流电进行急速加热；加热工艺可采用电场恒温烧结法或电热起伏烧结法；WC-Ni混合粉末在模具中成型后冷却至室温，最后断电取出零件即可。本发明简化了工艺流程，成型过程易于控制、烧结过程无需添加晶粒抑制剂、产品无污染、缩短了烧结时间、降低了烧结温度、提高了产品质量。

1.  基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，其特征在于：步骤如下：
A、将WC粉末和Ni粉按重量比采用湿磨法混合得到WC-Ni混合粉末：WC 85-95份，Ni 5-15份，两者之和为100份，称重后将WC-Ni混合粉末装填于模具中；
B、在真空度≤0.01Pa，同时在模具两端施以20～100MPa的外加作用力的条件下，对装有WC-Ni混合粉末的模具通交流电进行急速加热：
其中，加热工艺为两种：
第一种为电场恒温烧结：第一步以10～50℃/s加热至100～300℃保温0～120s，第二步以25～150℃/s的速度加热至1100～1400℃时保温6～25分钟；
第二种为电热起伏烧结：第一步以10～50℃/s加热至100～300℃保温0～120s，第二步以25～150℃/s的速度升温至1100～1400℃，电热起伏烧结的温度起伏范围为1400～600℃，起伏次数为6～20次；
C、WC-Ni混合粉末在模具中成型后，以5～15℃/s的速度冷却至室温，取出零件即可。

2.  根据权利要求1所述的基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，其特征在于：所述步骤B所述的两种加热工艺中：第一步的升温速度为10～20℃/s，第二步的升温速度为50～150℃/s。

3.  根据权利要求1所述的基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，其特征在于：步骤B所述的第一种加热工艺中，电场恒温烧结的保温时间为6～12分钟。

4.  根据权利要求1所述的基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，其特征在于：步骤B中第二种电热起伏工艺中，起伏阶段升温速度为50～150℃/s，降温速度为10～30℃/s。

5.  根据权利要求1所述的基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，其特征在于：步骤B所述的第二种加热工艺中，电热起伏烧结的温度起伏范围为1300～900℃，起伏次数为5～10次。

6.  根据权利要求1所述的基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，其特征在于：步骤A所述WC粒度范围为0.3μm-6μm，Ni粉粒度范围为0.3μm-10μm。

7.  根据权利要求1所述的基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，其特征在于：步骤B所述外加作用力为50～100MPa。

8.  根据权利要求1所述的基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，其特征在于：步骤B所述交流电的加热条件：电压为3～10V，电流为3000～30000A。

9.  由权利要求1-8任一项所述的方法制备的WC-Ni微型零件及由该WC-Ni微型零件制备的切削刀具。

基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件及其制备方法，属于快速烧结制备WC-Ni微型零件的技术领域。
背景技术
WC–Co硬质合金因其因其优异的硬度、耐磨性和良好的断裂强度和韧性而广泛地用于各种切削刀具、耐冲击磨具以及耐磨零件等。然而Co作为一种昂贵而稀缺的金属，全球储量极其有限，价格昂贵，且在酸性环境中耐腐蚀、抗氧化性能较差，因而钴作为粘接剂在使用中受到一定限制。
Ni对WC表现出良好的润湿性，并具有比Co更优的抗氧化性和抗蚀性，尤其在合金化后，可使硬质合金性能更加优异，且在低碳含量下还具有无磁性的优点。Ni的全球储量是Co的70倍，资源较丰富，是一种相对Co价格更为便宜的金属。因此，Ni被看作是Co的首选代用品。如果能用Ni部分或全部代替Co作为硬质合金粘结剂，将会大大降低硬质合金的生产和使用成本，具有广阔的市场前景和显著的社会和经济效益。
Zhijian Peng等人利用高能球磨法和SPS烧结，通过添加VC、TaC晶粒抑制剂，在烧结压力50Mpa的条件下，以200℃/s升温至1350℃，保温6分钟，成功制备出不同Ni含量的超细WC-nNi(6≤n≤10)的硬质合金，但产品的微观孔洞过多，产品致密度仅为92％，力学性能较差。
Xiaoyong Ren等人利用热压烧结制备WC-Ni硬质合金，该方法首先将WCNi粉末混合均匀，然后放在热压烧结炉上进行烧结，在烧结压力20Mpa的条件下，以20℃/min的升温速率升温至1400℃保温1h，然后冷却至室温得到样品，该产品虽然致密度较高，达到99.2％，但产品需要通过添加VC、TaC等晶粒抑制剂抑制晶粒的长大，给产品带来了污染，且烧结时间太长。
E.Taheri-Nassaj等采用自蔓延高温燃烧合成法，以Mo2C作为晶粒抑制剂，在1500℃温度下保温1小时制备出晶粒细小、机械性能较好的WC-Ni。该方法同样因为烧结时间长、烧结温度高，需要添加晶粒抑制剂，能源消耗大，且产品污染严重。
本发明的发明人欲针对目前WC-Ni微型零件制备方法鲜有报道的现状；以及WC-Ni产品的制备现状，诸如工序复杂、制备周期长、成型温度高、韧性低，添加剂的依赖而导致产品纯度不高等缺陷，而提供一种基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种工序简单、制备周期短，产品纯度高，兼具韧性高，相对密度 高的基于多物理场活化烧结制备WC-Ni微型零件的方法，该方法包括以下步骤：
A、将WC粉末和Ni粉按重量比采用湿磨法混合得到WC-Ni混合粉末：WC 85-95份，Ni 5-15份，两者之和为100份，称重后将WC-Ni混合粉末装填于模具中；
B、在真空度≤0.01Pa，同时在模具两端施以20～100MPa的外加作用力的条件下，对装有WC-Ni混合粉末的模具通交流电进行急速加热：
其中，加热工艺为两种：
第一种为电场恒温烧结：第一步以10～50℃/s加热至100～300℃保温0～120s，第二步以25～150℃/s的速度加热至1100～1400℃时保温6～25分钟；
第二种为电热起伏烧结：第一步以10～50℃/s加热至100～300℃保温0～120s，第二步以25～150℃/s的速度升温至1100～1400℃，电热起伏烧结的温度起伏范围为1400～600℃，起伏次数为6～20次；
C、WC-Ni混合粉末在模具中成型后，以5～15℃/s的速度冷却至室温，取出零件即可。
上述技术方案中，步骤A所述WC粒度范围为0.3μm-6μm，Ni粉粒度范围为0.3μm-10μm。
上述技术方案中，步骤B所述的两种加热工艺中：第一步的升温速度为10～20℃/s，第二步的升温速度为50～150℃/s。
上述技术方案中，步骤B所述的外加作用力为50～100MPa。
上述技术方案中，步骤B所述的第一种加热工艺中，电场恒温烧结的保温时间为6～12分钟。
上述技术方案中，步骤B所述的第二种加热工艺中，电热起伏烧结的温度起伏范围为1300～900℃，起伏次数为5～10次。
上述技术方案中，步骤B所述的第二种电热起伏烧结工艺中，起伏阶段升温速度为50～150℃/s，降温速度为10～30℃/s。
上述技术方案中，步骤B所述交流电的加热条件：电压为3～10V，电流为3000～30000A。
本发明采用电场恒温烧结和电热起伏烧结两种工艺，可生成三角形和圆柱形两种形状的WC-Ni微型零件产品，亦可根据实际应用需要制备需要的形状。还可以进一步利用本发明WC-Ni微型零件优异的力学性能制备的切削刀具。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、简化了工艺流程。本发明方法在烧结过程中，粉末无需事先压制成坯，烧结过程中模具与粉末一起加热、加压，减少了生坯压制过程。
2、缩短了制备时间。采用本发明方法制备WC-Ni微型零件时，粉末体系是在电场、力场和温度场的耦合作用下快速烧结成型，升温速度最高可达200℃/s，大大高于5℃/min左右的传 统烧结升温速度，且后期保温时间短，所以本发明方法可在6～20分钟内实现WC-Ni粉末的烧结成型，因而使零件的升温时间和制备时间都大幅度缩短。
3、优化了产品质量。由于本发明实现烧结速度快，在极短时间内完成烧结过程，且电场作用均匀，可以最大限度减少合金成分偏聚，镍池较少，解决了一般成形方法晶粒粗大、微孔富集所造成的韧性下降的问题，最终体现在本发明所得微型零件机械性能优异。
4、成型过程易于控制。由于本发明方法可以通过调节电流、升温速度、烧结温度、作用力和保温时间等工艺参数，灵活方便地控制零件的成型过程，因而解决了现有的相关技术在镍粘接剂硬质合金零件的制备过程中很难对多个工艺参数进行时时控制的问题。
5、过程无污染。本发明采用直接通电方式对金属粉末进行急速加热，不仅实现极短时间内的快速烧结，实现高效率，低耗能；且因为缩短了烧结时间和降低了烧结温度，从而抑制了晶粒的长大，摆脱了对添加剂等依赖，生产过程符合“绿色生产”的要求。
具体实施方式
下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，有必要在此指出，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
以下实施例采用的烧结制备设备为美国DSI科技联合体研制的Gleeble-1500D热模拟机。
实施例1
实验所用式样为Φ4*4mm圆柱及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按94:6的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至50℃/s，并同时对模具两端施加85MPa作用力。当温度达到300℃时保温80s，再把升温速度调至60℃/s，当加热到1150℃后保温10min，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以15℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为98.3％，HV30为kgf/mm²，断裂韧性Kic为10MPa·m1/2，产品无明显Ni池。
实施例2
实验所用式样为Φ4*4mm圆柱及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按90:10的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至25℃/s，并同时对模具两端施加65MPa作用力。当温度达到180℃时保温50s，再把升温速度调至50℃/s，当加热到1350℃后保温8min，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为99.3％，HV30为2121kgf/mm²，断裂韧性Kic为10.1MPa·m1/2，产品无明显Ni池。
实施例3
实验所用式样为Φ4*4mm圆柱及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按88:12的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至40℃/s，并同时对模具两端施加95MPa作用力。当温度达到270℃时保温100s，再把升温速度调至65℃/s，当加热到1400℃后，在1400℃-800℃范围内起伏烧结13次，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为99.5％，HV30为2096kgf/mm²，断裂韧性Kic为12.1MPa·m1/2，产品无明显Ni池。
实施例4
实验所用式样为Φ4*4mm圆柱及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按94:6的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至25℃/s，并同时对模具两端施加75MPa作用力。当温度达到200℃时保温70s，再把升温速度调至55℃/s，当加热到1200℃，在1200℃-700℃范围内起伏烧结9次，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为97.3％，HV30为2050kgf/mm²，断裂韧性Kic为8.6MPa·m1/2，产品无明显Ni池。
实施例5
实验所用式样为边长为6mm、高度为4mm的三角块试样及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按92:8的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至15℃/s，并同时对模具两端施加50MPa作用力。当温度达到100℃时保温15s，再把升温速度调至25℃/s，当加热到1100℃，在1100℃-700℃范围内起伏烧结12次，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为95.3％，HV30为2063kgf/mm²，断裂韧性Kic为8.9MPa·m1/2，产品无明显Ni池。
实施例6
实验所用式样为边长为6mm、高度为4mm的三角块试样及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按89:11的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至50℃/s，并同时对模具两端施加105MPa作用力。当温度达到300℃时保温120s，再把升温速度调至75℃/s，当加热到1400℃后保温12min，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为99.9％，HV30为2112kgf/mm²，断裂韧性 Kic为12.5MPa·m1/2，产品无明显Ni池。
实施例7
实验所用式样为边长为6mm、高度为4mm的三角块试样及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按91:9的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至15℃/s，并同时对模具两端施加55MPa作用力。当温度达到150℃时保温30s，再把升温速度调至30℃/s，加热到1100℃，在1100℃-500℃范围内起伏烧结20次，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为95％，HV30为2100kgf/mm²，断裂韧性Kic为9.3MPa·m1/2，产品无明显Ni池。
实施例8
实验所用式样为边长为6mm、高度为4mm的三角块试样及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按92:8的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至20℃/s，并同时对模具两端施加60MPa作用力。当温度达到150℃时保温45s，再把升温速度调至50℃/s，当加热到1050℃后保温15min，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为97.2％，HV30为2082kgf/mm²，断裂韧性Kic为8.96MPa·m1/2，产品无明显Ni池。
对比案例:
对比例1
实验所用式样为Φ4*4mm圆柱及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按92:8的重量比配重球磨混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至20℃/s，并同时对模具两端施加60MPa作用力。当温度达到150℃时保温40s，再把升温速度调至45℃/s，当加热到800℃后保温5min，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以15℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为82％，试样致密度低，HV30为2003kgf/mm²，断裂韧性Kic为6.1MPa·m1/2，试样的韧性低。产生了Ni池，韧性分布不均匀。
对比例2
实验所用式样为边长为6mm、高度为4mm的三角块试样及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按93:7的重量比配重球磨混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至25℃/s，并同时对模具两端 施加70MPa作用力。当温度达到190℃时保温65s，再把升温速度调至55℃/s，加热到1300℃，在1300℃-700℃范围内起伏烧结7次，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为96.9％，HV30为2100kgf/mm²，产生了Ni池，导致各区域韧性差异大，断裂韧性Kic仅为6.8MPa·m1/2，韧性低。
对比例3
实验所用式样为边长为6mm、高度为4mm的三角块试样及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按89:11的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至30℃/s，并同时对模具两端施加200MPa作用力。当温度达到210℃时保温75s，再把升温速度调至60℃/s，当加热到1100℃后保温9min，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为93％，试样致密度低，HV30为2052kgf/mm²，断裂韧性Kic为6.3MPa·m1/2。
对比例4
实验所用式样为边长为6mm、高度为4mm的三角块试样及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按90:10的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至35℃/s，并同时对模具两端施加90MPa作用力。当温度达到250℃时保温90s，再把升温速度调至65℃/s，当加热到1150℃后保温10min，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以30℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为95.5％，HV30为2050kgf/mm²，断裂韧性Kic为6.5MPa·m1/2。且产品产生裂纹。
对比例5
实验所用式样为边长为6mm、高度为4mm的三角块试样及相应粉末的理论密度计算粉末质量。将WC粉末以及Ni粉末按91:9的重量比配重采用湿磨法混合后，称重后将混合粉末装入模具夹头固定好，利用真空度≤0.01Pa的条件下，把升温速度调至85℃/s，并同时对模具两端施加100MPa作用力。当温度达到290℃时保温105s，再把升温速度调至70℃/s，加热到1250℃，在1250℃-700℃范围内起伏烧结3次，粉末在模具中成型并完成烧结，最后以10℃/s的冷却速率冷却至室温，断电取出零件即可。试样的相对密度为91％，产品致密度低，HV30为2023kgf/mm²，断裂韧性Kic为6.1MPa·m1/2。