CN102329975A

CN102329975A - 一种超硬材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102329975A
Application number: CN201110220550A
Authority: CN
Inventors: 李梁
Original assignee: Sichuan Oilman Machinery Co Ltd
Current assignee: Sichuan Oilman Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2012-01-25

Abstract

一种超硬材料及其制备方法，该超硬材料包括至少一种陶瓷相粉末以及混合合金；其中混合合金为铝、铬、铜、铁、锰、钛、钒、钴、镍、碳中的至少5种结合得到的合金，且每种元素占该混合合金的5至35％；其中，陶瓷相和混合合金的重量百分比如下：陶瓷相粉末：80-85％；混合合金：15-20％，该超硬材料采用多合金作为结合相，使其结合金属能获得耐温的微结构及硬度来提高整体陶瓷相复合材料的硬度及耐温耐磨性。另外，利用其缓慢扩散效应，可使得该发明的结合金属在烧结为液相时，原子不易传输扩散，可抑制碳化钨、碳化钛等陶瓷相晶粒成长，进而避免烧结体硬度、韧性、耐温及耐磨性下降。

Description

一种超硬材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，更特别的是涉及一种超硬材料及其制备方法。

背景技术

超硬材料从上世纪初期开始发展，因其具有高硬度、耐高温、耐磨耗性等优点，被广泛的应用于各种工业，其主要是以碳化物为主的超硬材料。

通常情况下，超硬材料是由多种不同的组成一起构成，其中一般包含有熔点与硬度都非常高但容易脆裂的碳化物等陶瓷相颗粒的组成成分以及硬度低韧性高的结合相的组成成分，现有的超硬材料通常使用的结合金属以钴、镍或镍钼合金作为结合相，通过将组分进行烧结，将结合相形成液相或与碳化物形成共晶液相，最终获得高烧结密度的材料，其中可选的是，为了提高材料密度，可采加压烧结或烧结后再热均压等不同的方法。

这些超硬材料常常应用于切削刀具、模具、工具与耐磨耗组件上，包括诸如车刀、铣刀、绞刀、刨刀、锯片、钻头、冲头、剪切模、成型模、抽制模、挤型模、手表零件、原子笔珠等各种部件中。而其中又以碳化钨超硬材料的应用最为广泛，依据不同的应用要求，超硬材料的选择范围也因而相当广泛，通常结合相含量愈低，强化基材的含量愈高，硬度及耐磨性都会增加，但相反，韧性及耐冲击性也跟着降低，较易破裂。因此对于要求硬而耐磨的应用，强化材料的含量须提高，而对于韧性要求较高的应用，强化材料的含量就得降低。此外，对于腐蚀环境下的耐磨组件或高温应用的组件，其耐蚀性或耐氧化性等特性也都需一并考虑。随着时代的进步，人类生活水平日益提高，不管是传统工业或高科技产业，对于各种零组件的需求及生产与日俱增，如何提高生产效率、延长寿命及降低成本已成为刀具、模具、工具及耐磨构件必然的发展趋势。然而，传统碳化钨、碳化钛等碳化物超硬材料的韧性、耐温性、耐磨性、耐蚀性、抗黏性在不同的应用场合下仍常嫌不足。

国内同样对超硬材料有着强烈的需求，在CN1,548,567中以高锰钢作为碳化钨的结合相，高锰钢的成分为14～18wt％的锰、3～6wt％的镍、0.9～1.9wt％的碳与74.1～82.1wt％的铁，这种碳化钨材料具有高强度、高硬度及高耐磨耗性。也有许多是在结合金属中加入碳化物的专利，如CN1,554,789是将4～6wt％钴与0.3～0.6wt％碳化钽作为结合相，并将此结合金属与碳化钨粉体混合烧结，可得较高耐磨性与高韧性的碳化钨复合材料。再如CN1,718,813是以7～9wt％的钴+0.1～0.5wt％的碳化钒+0.3～0.7wt％的碳化铬作为结合金属，并与碳化钨烧结，可得较高强度、高硬度、高韧性的碳化钨复合材料。

而为改进超硬材料中的结合相，本发明借助多合金混合所特有的缓慢扩散效应、晶格扭曲效应及鸡尾酒复合效应，使其结合金属能获得耐温的微结构及硬度来提高整体陶瓷相复合材料的硬度及耐温耐磨性。另外，利用其缓慢扩散效应，可使得该发明的结合金属在烧结为液相时，原子不易传输扩散，可抑制碳化钨、碳化钛等陶瓷相晶粒成长，进而避免烧结体硬度、韧性、耐温及耐磨性下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超硬材料及其制备方法，该超硬材料采用多合金作为结合相，使其结合金属能获得耐温的微结构及硬度来提高整体陶瓷相复合材料的硬度及耐温耐磨性。另外，利用其缓慢扩散效应，可使得该发明的结合金属在烧结为液相时，原子不易传输扩散，可抑制碳化钨、碳化钛等陶瓷相晶粒成长，进而避免烧结体硬度、韧性、耐温及耐磨性下降。

为实现上述目的，本发明公开了一种超硬材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：制备混合合金，按照设计比例将混合合金的不同组分的粉末进行混合，混合合金为铝、铬、铜、铁、锰、钛、钒、钴、镍和碳中的至少5种结合得到的合金，且每种元素占该混合合金的5至35摩尔％，混合后进行球磨以将不同组分充分混合形成混合合金粉末；

步骤二：混合至少一种陶瓷相粉末及混合合金粉末，形成混合物；

步骤三：压胚烧结混合物，形成超硬材料。

其中，步骤一中的球磨时间为10-20小时。

其中，陶瓷相为碳化钨或碳化钛。

其中，陶瓷相粉末及混合合金粉末的重量百分比为：陶瓷相粉末：80-85％；混合合金：15-20％。

其中，在真空或在氩气及氢气的混合气体下进行烧结操作。

其中，步骤三中的烧结温度为800-1250摄氏度，升温速度为6度每分钟，烧结时间为30-60分钟。

还公开了一种超硬材料，包括至少一种陶瓷相粉末以及混合合金；其中混合合金为铝、铬、铜、铁、锰、钛、钒、钴、镍、碳中的至少5种结合得到的合金，且每种元素占该混合合金的5至35％；其中，陶瓷相和混合合金的重量百分比如下：

陶瓷相粉末：80-85％；混合合金：15-20％。

其中，陶瓷相粉末为碳化钨和/或碳化钛。

通过上述结构，本发明的具有以下技术效果：

(1)提高了材料的硬度及耐温耐磨性；

(2)避免烧结体硬度、韧性、耐温及耐磨性下降；

(3)通过材料的配合，从而提高了强度和断裂韧性；

(4)使用寿命较长，制造简单，应用广泛。

本发明将通过下面的具体实施例进行进一步的详细描述。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

本发明提供了一种超硬材料，包括至少一种陶瓷相粉末(碳化钨和/或碳化钛)以及混合合金；其中混合合金为铝、铬、铜、铁、锰、钛、钒、钴、镍、碳中的至少5种结合得到的合金，且每种元素占该混合合金的5至35％；其中，陶瓷相作为基材，其提供高硬度和高熔点，而混合合金作为粘结相，则提供了耐磨和韧性，而两者的重量百分比如下：

陶瓷相粉末：80-85％；混合合金：15-20％。

同时，本发明提出了一种超硬材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：制备混合合金，按照设计比例将混合合金的不同组分的粉末进行混合，混合合金为铝、铬、铜、铁、锰、钛、钒、钴、镍和碳中的至少5种结合得到的合金，且每种元素占该混合合金的5至35摩尔％，混合后进行球磨以将不同组分充分混合形成混合合金粉末，球磨时间为10-20小时；

步骤二：混合至少一种陶瓷相粉末及混合合金粉末，形成混合物，陶瓷相为碳化钨或碳化钛，陶瓷相粉末及混合合金粉末的重量百分比为：陶瓷相粉末：80-85％；混合合金：15-20％；

步骤三：压胚烧结混合物，形成超硬材料，优选在真空或在氩气及氢气的混合气体，进行烧结操作，烧结温度为800-1250摄氏度，升温速度为6度每分钟，烧结时间为30-60分钟。

实施例1：

本实施例先将多种纯金属或合金粉体利用机械球磨方式形成混合合金粉体，再将混合合金与碳化钨粉体依不同比例混合及球磨处理，使之成为均匀混合的复合材料粉体。而后再将均匀的碳化钨-混合合金混合粉体经过压胚及高温烧结制成超硬材料烧结体，最后将烧结体做测试与分析。本实施例系采用铝、铬、铜、铁、锰、钛与钒七种纯金属粉体制作多元高熵合金粉体，其含量分别为下表：

配置后的粉体经过18小时球磨后得到混合合金粉体，而后再与碳化钨粉体依下表的比例配置、机械球磨及压胚烧结，烧结所得的材料的硬度如下表所示。在下表中，通过调整混合合金与碳化钨的比例可得到不同硬度范围的复合材料，以提供不同要求的应用。

实施例2：

本实施例先将六种纯金属或合金粉体利用机械球磨方式形成混合合金粉体，再将混合合金与碳化钨粉体依不同比例混合及球磨处理，使之成为均匀混合的复合材料粉体。而后再将均匀的碳化钨-混合合金混合粉体经过压胚及高温烧结制成超硬材料烧结体，最后将烧结体做测试与分析。本实施例采用铝、铬、铜、铁、锰、钛与钒七种纯金属粉体制作多元高熵合金粉体，其含量分别为下表：

配置后的粉体经过球磨后与碳化钨粉体依下表的比例配置、机械球磨及压胚烧结，烧结所得的材料的硬度如下表所示。在下表中，通过调整混合合金与碳化钨的比例可得到不同硬度范围的复合材料，以提供不同要求的应用。

本发明的超硬材料还具有以下技术效果：

(1)提高了材料的硬度及耐温耐磨性；

(2)避免烧结体硬度、韧性、耐温及耐磨性下降；

(3)通过材料的配合，从而提高了强度和断裂韧性；

(4)使用寿命较长，制造简单，应用广泛。

本发明将通过下面的具体实施例进行进一步的详细描述。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过，但本发明不限制在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims

1.一种超硬材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤三：压胚烧结混合物，形成超硬材料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中的球磨时间为10-20小时。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，陶瓷相为碳化钨或碳化钛。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，陶瓷相粉末及混合合金粉末的重量百分比为：陶瓷相粉末：80-85％；混合合金：15-20％。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在真空或在氩气及氢气的混合气体下进行烧结操作。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三中的烧结温度为800-1250摄氏度，升温速度为6度每分钟，烧结时间为30-60分钟。

7.一种超硬材料，包括至少一种陶瓷相粉末以及混合合金；其中混合合金为铝、铬、铜、铁、锰、钛、钒、钴、镍、碳中的至少5种结合得到的合金，且每种元素占该混合合金的5至35％；其中，陶瓷相和混合合金的重量百分比如下：

陶瓷相粉末：80-85％；混合合金：15-20％。

8.如权利要求1所述的超硬材料，其特征在于，陶瓷相粉末为碳化钨和/或碳化钛。