CN101458185A - 一种测量超细和纳米碳化钨粉末中团聚体结合强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量超细或纳米碳化钨粉末中“团聚体”内一次颗粒结合强度的方法，其步骤如下：(1)在万能力学实验机上，在单向或双向连续的钢或硬质合金压缩模具中加入超细或纳米碳化钨粉体；(2)根据计算机自动记录的压缩过程中压力与位移，做压坯密度与压强的关系曲线，确定转折点处表观的临界压力：(3)根据“团聚体”的相对密度等算出"团聚体"间的孔隙度；(4)结合临界压力计算出碳化钨一次颗粒的结合强度暨碳化钨“团聚体”强度。本发明的方法利用通用力学测试设备，操作简便。

Description

一种测量超细和纳米碳化钨粉末中团聚体结合强度的方法

技术领域

本发明涉及超细和纳米碳化钨粉末领域，具体的说是一种测量超细和纳米碳化钨粉末中“团聚体”内一次颗粒之间结合强度的方法。

背景技术

超细和纳米碳化钨粉末是硬质合金材料领域的研究热点之一。然而随着碳化钨粉末粒度的减小，表面能急剧增大。为降低系统能量，通过表面张力或固体的键桥作用，粉体中会有大量的原生颗粒(一次颗粒)结合形成更大的二次颗粒，即“团聚体”。“团聚体”分为“软团聚”和“硬团聚”。“软团聚”一般是指颗粒之间通过分子间作用力以及颗粒间的范德华力等弱物理作用力连接形成的团聚体；这种团聚体内部作用力较弱，粉体比较疏松，在外力作用下比较容易重新分散。“硬团聚”一般是指颗粒之间通过化学键力或氢键作用力等强作用力连接形成的团聚体；这种团聚体内部作用力大，含有相互联结的气孔网络，颗粒间结合紧密，不易重新分散，严重影响超细粉体的压制成形与烧结过程。一般关注的是这种“硬团聚”现象及其团聚体的行为，定量的评价碳化钨粉体的团聚状态是表征超细碳化钨粉末性能的重要内容。

碳化钨粉末团聚状态主要包括“团聚体”尺寸及分布、“团聚体”结构(“团聚体”密度、孔径尺寸及分布等)、“团聚体”强度以及“团聚体”的表面物理化学状态等几个方面。对“团聚体”尺寸及分布、“团聚体”的结构等已有比较通用的表征方法；但到目前为止，对超细和纳米碳化钨粉末中“团聚体”内一次颗粒之间的结合强度(以下简称“团聚体”强度)还没有适用的测量方法。

测量一次颗粒间结合强度的方法主要有超声场法、压汞法、单个“团聚体”的纳米力学探针压溃法和压坯密度-压力法。但这些方法都存在着一些缺点。例如，超声场法的强度难以精确标定，测量的强度范围受到限制；压汞法用压汞仪测量等静压成型体内孔隙分布，根据孔隙分布由二级峰转变为单级峰分布来估计粉体中团聚体的强度。该方法需要高压设备，测量过程较复杂，测量精确度较低；纳米力学探针仪器昂贵，分离并移动单个“团聚体”极其困难，需要大量测量来保证统计结果的代表性。上世纪70年代，Niesz等人在研究超细陶瓷粉体时提出了压坯密度-压力法：他们认为在含有“团聚体”的陶瓷粉末在等静压成形过程中，压坯密度与压力对数的关系曲线往往呈现转折直线关系：在低压下，关系曲线代表粉体中的“团聚体”重排，在这一过程中“团聚体”结构没有发生变化；而高压下的关系曲线则代表“团聚体”解体，即“团聚体”结构被破坏的过程。两条关系直线的交点即转折点对应的临界压力为“团聚体”的破碎压力，定义为“团聚体”的强度。该强度值为众多“团聚体”行为的平均值，具有良好的代表性。但Niesz等人的方法需要等静压设备，而且需要不同压力下测试多个样品，试验过程较为复杂，且所得结果反映的是宏观强度，并不直接表明一次颗粒的结合强度。

因此在通用力学测试设备上，建立一种操作简便的测量超细和纳米碳化钨粉体中“团聚体”内一次颗粒结合强度的方法就成为该技术领域急需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种在通用力学测试设备上，操作简便的测量超细和纳米碳化钨粉体中“团聚体”内一次颗粒结合强度的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种测量超细或纳米碳化钨粉末中团聚体内一次颗粒结合强度的方法，其特征在于：在万能力学实验机上，在单向或双向连续的压缩模具中加入超细或纳米碳化钨粉体，根据计算机自动记录的压缩过程中压力与位移，做压坯密度与压强的关系曲线，确定转折点处表观的临界压力，根据“团聚体”的相对密度计算出“团聚体”间的孔隙度，结合临界压力计算出碳化钨一次颗粒的结合强度暨碳化钨“团聚体”强度。

一种优选技术方案，其特征在于：所述万能力学实验机为各种压缩压力达到5KN以上的力学测试设备。

一种优选技术方案，其特征在于：所述位移为万能力学实验机自带的位移传感器测量横梁的位移或者使用外加的位移传感器所测量的模冲的位移。

一种优选技术方案，其特征在于：所述压缩模具的直径为5mm至30mm；更优选直径10～15mm，重复测量效果较佳，材质为钢质或硬质合金。

一种优选技术方案，其特征在于：测量前在压缩模具内壁涂抹硬脂酸四氯化碳溶液、硬脂酸、硬脂酸锌、石墨和/或机油。

一种优选技术方案，其特征在于：压制出的样品的外形为长径比1:2-1:10的圆片状粉末压坯，使粉体与压缩模具内壁之间的外摩擦力对测量结果的影响较小；长径比1:3-1:10的粉末压坯更有利于稳定获得测试数据。

一种优选技术方案，其特征在于：超细和纳米碳化钨粉体的粘着力较大，经300～500MPa压力压制成型后，可以获得较高的压坯强度，脱模时可以获得完整的坯体；在万分之一克测量精度的电子天平上称量坯体质量m，用千分尺测量坯体最终高度h₀。

一种优选技术方案，其特征在于：取出坯体后，将模具放到万能力学实验机上，采用单向或双向的方法连续压缩模具，计算机自动记录在某一压力下模具及其它构件所发生的弹性变形。

一种优选技术方案，其特征在于：压强为P_i时，坯体相对密度是由下式求得，

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{m}{{\mathrm{\ρ\πr}}^2[h_0+(L_0-L_i)-\mathrm{\Δ}{l}_i]}---\left(1\right)$

其中：ρ_i是压强为P_i时压坯的相对密度，ρ是所测粉末的理论密度，m是压坯的质量，r是压坯的半径，h₀是压坯最后高度，L₀是传感器所测最后的位移，L_i是压力为P_i时，传感器所测位移，Δl_i是压力为P_i时，模具及其它构件所发生的弹性变形。

一种优选技术方案，其特征在于：将压力P_i除以坯体横截面积得到压强并对压强取以e为底的对数；做压坯相对密度与压强对数的曲线，然后分别做出低压和高压曲线段的切线、并延长得到交点，确定转折点处表观的临界压力。

一种优选技术方案，其特征在于：用氮气吸附法或压汞法测定一定质量的纳米或超细碳化钨粉体中的孔径分布，根据孔径分布测出“团聚体”内孔隙的累积体积，代入下式计算“团聚体”的相对密度：

ρ_agg＝[x/(x+y)]×100％             (2)

其中：x＝1/ρ(ρ是碳化钨粉末的理论密度)，y为用N₂吸附法或压汞法测量的每克碳化钨粉中“团聚体”内孔隙的体积。

一种优选技术方案，其特征在于：在测定的压坯密度与压强曲线中，读出转折点处坯体的相对密度ρ_i，“团聚体”的相对密度为ρ_agg，则”团聚体”间的孔隙度ε可由下式求得。

$\mathrm{\ϵ}=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{agg}}}---\left(3\right)$

一种优选技术方案，其特征在于：将转折点处表观的等静压力σ和”团聚体”间的孔隙度ε，代入下式可算出”团聚体”中一次颗粒的结合强度。

$s=\frac{36.4\mathrm{\σ}}{32(1-\mathrm{\ϵ})(7-8\mathrm{\ϵ})}---\left(4\right)$

本发明对Niesz等人的方法进行了改进，应用对象是超细和纳米碳化钨粉体，技术关键是在万能力学实验机上采用单向或双向连续的压缩钢制模具中纳米或超细碳化钨粉体，与实验机相联的计算机自动记录压缩过程中压力与横梁的位移，通过算法将位移转换成压坯相对密度，做出压坯密度与压强的关系曲线，确定转折点处的临界压力，根据“团聚体”的相对密度等算出“团聚体”间的孔隙度，结合临界压力算出一次颗粒结合强度。

下面通过具体实施方式和附图对本发明做进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1是平均粒径为100nm的碳化钨粉末压坯的相对密度与压强对数的关系曲线。

具体实施方式

原料：平均粒径为100nm的碳化钨粉体。

测试过程：

(1)在托盘电子天平上称取2.5g上述碳化钨粉末，放入直径为10mm的钢制模具中，采用单向压缩方法在CMT5000型万能力学实验机上连续压缩粉体，压头的移动速度为0.5mm/s。

(2)经300MPa压力压制成型后，仔细脱模获得形状完整的坯体。在电子天平上称量坯体质量为2.30g，用千分尺测量坯体最终高度4.500mm。

(3)取出粉末以后将模具放到万能力学实验机上，采用单向或双向的方法连续压缩模具，电脑自动的记录在某一压力下模具及横梁所发生的弹性变形。

(4)将所得到的数据代入(1)式，算出压强为P_i压坯时，坯体相对密度；将压力P_i除以坯体横截面积得压强并取以e为底的对数；做压坯相对密度与压强对数的曲线如附图1，分别做低压和高压曲线段的切线、并延长得到交点，确定出转折点处表观的临界压力为36.0MPa。

(5)用氮气吸附法测定了超细粉末的孔径分布，发现小于25nm的孔为“团聚体”内的孔隙，“团聚体”内的孔隙累积体积为0.012ml/g，代入(2)式计算出“团聚体”的相对密度为84％。

(6)如图1所示，是平均粒径为100nm的碳化钨粉末压坯的相对密度与压强对数的关系曲线。在图1中读出曲线的转折点处坯体的相对密度为0.32，根据孔径分布计算出的”团聚体”的相对密度为0.84，则代入(3)式算出“团聚体”间的孔隙度为0.62；再将转折点处表观的临界压力和“团聚体”间的孔隙度代入(4)式算出”团聚体”中一次颗粒的结合强度为53.5MPa。

重复进行了3次测量，结果分别为52.6MPa，55.0MPa，49.6MPa，均值为52.7MPa，测试结果具有较高的精度。

Claims (12)

1、一种测量超细或纳米碳化钨粉末中团聚体内一次颗粒结合强度的方法，其步骤如下：(1)在万能力学实验机上，在单向或双向连续的压缩模具中加入超细或纳米碳化钨粉体；(2)根据计算机自动记录的压缩过程中压力与位移，做压坯密度与压强的关系曲线，确定转折点处表观的临界压力；(3)根据“团聚体”的相对密度等算出“团聚体”间的孔隙度；(4)结合临界压力计算出碳化钨一次颗粒的结合强度暨碳化钨“团聚体”强度。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述万能力学实验机为各种压缩压力达到5KN以上的力学测试设备。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述位移为万能力学实验机自带的位移传感器测量横梁的位移或者使用外加的位移传感器所测量的模冲的位移。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述压缩模具的直径为5mm至30mm；材质为钢质或硬质合金。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)加入超细或纳米碳化钨粉体之前在压缩模具内壁涂抹硬脂酸四氯化碳溶液、硬脂酸、硬脂酸锌、石墨和/或机油。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述压缩模具经300～500MPa压力压制成型，脱模时获得完整的坯体；称量坯体质量m，测量坯体最终高度h₀。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)取出坯体后，将模具放到万能力学实验机上，采用单向或双向的方法连续压缩模具，计算机自动记录在某一压力下模具及其它构件所发生的弹性变形。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中压强为P_i时，坯体相对密度是由下式求得，

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{m}{\mathrm{\ρ\π}{r}^2[h_0+(L_0-L_i)-{\mathrm{\Δl}}_i]}$

其中：ρ_i是压强为P_i时压坯的相对密度，ρ是所测粉末的理论密度，m是压坯的质量，r是压坯的半径，h₀是压坯最后高度，L₀是传感器所测最后的位移，L_i是压力为P_i时，传感器所测位移，Δl_i是压力为P_i时，模具及其它构件所发生的弹性变形。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中将压力Pi除以坯体横截面积得到压强并对压强取以e为底的对数；做压坯相对密度与压强对数的曲线，然后分别做出低压和高压曲线段的切线、并延长得到交点，确定转折点处表观的临界压力。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)是用氮气吸附法或压汞法测定一定质量的纳米或超细碳化钨粉体中的孔径分布，根据孔径分布测出“团聚体”内孔隙的累积体积，代入下式计算“团聚体”的相对密度：

ρ_agg＝[x/(x+y)]×100％

其中：x＝1/ρ(ρ是碳化钨粉末的理论密度)，y为用N₂吸附法或压汞法测量的每克碳化钨粉中“团聚体”内孔隙的体积；

在测定的压坯密度与压强曲线中，读出转折点处坯体的相对密度ρ_i，“团聚体”的相对密度为ρ_agg，则”团聚体”间的孔隙度ε可由下式求得；

$\mathrm{\ϵ}=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{agg}}}.$

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)是将转折点处表观的等静压力σ和”团聚体”间的孔隙度ε，代入下式可算出”团聚体”中一次颗粒的结合强度。

$s=\frac{36.4\mathrm{\σ}}{32(1-\mathrm{\ϵ})(7-8\mathrm{\ϵ})}$

12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：压制出的样品的外形为长径比1:2-1:10的圆片状粉末压坯。

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