CN103667845A - 一种利用高温超高压制备纳米结构碳化钨复合块材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用高温超高压制备纳米结构碳化钨复合块材的方法。在高温超高压条件下，采用纳米碳化钨或纳米碳化钨与钴混合粉末为原材料，原材料中钴所占质量分数为0%—30%。经机械混合高温除杂后，装配烧结单元，直接经高温超高压烧结制备高性能纳米结构碳化钨复合块体材料，这种纳米结构碳化钨复合块材，物相分布均匀，碳化钨晶粒为纳米尺寸。这使得本发明的高性能纳米结构碳化钨复合块材的硬度与断裂韧性比现有产品高出50%，且其密度接近理想密度。

Description

一种利用高温超高压制备纳米结构碳化钨复合块材的方法

本发明涉及一种以纳米碳化钨或纳米碳化钨与钴混合粉末为原材料，通过净化处理，在高温超高压条件下制备纳米结构碳化钨复合块材的方法，属于金属陶瓷材料领域。

技术背景

碳化钨( WC)是一种结构金属陶瓷材料，具有高熔点、高耐磨性、高硬度、良好的化学稳定性及热稳定性等特性。WC 通常与金属钴混合烧结成 WC—钴复合块体材料，俗称硬质合金。硬质合金是目前使用最多的刀具材料，被誉为“ 工业的牙齿”。但是，常规硬质合金中碳化钨的粒度为微米或亚微米尺度，高性能超细及纳米尺度的硬质合金非常难于制备，根本问题是超细及纳米硬质合金的关键制备技术尚未突破。硬质合金通常采用热压烧结，压力范围一般不超过 500 MPa,温度为 1500 ℃，在这样的烧结条件下 WC 晶粒将不可避免的要长大，原材料的纳米结构也就不复存在。为了制备纳米结构的硬质合金块材，通常的方法是在原材料中加入抑制剂，如碳化钒、碳化铬。但是抑制剂的存在又在一定程度上降低了硬质合金的性能。因此，找到一种方便有效不采用抑制剂的方法制备纳米结构碳化钨复合块材将非常有意义。

我们知道压力（强）、温度与化学组分是决定材料存在状态的三个基本热力学要素。超高压可以抑制材料中的原子在高温下的长程扩散，从而抑制材料晶粒的长大，进而来制备纳米结构复合材料。显然利用高温超高压的极端条件可以制备纳米结构 WC 复合块材（硬质合金）。但是，关于利用高温超高压的极端条件制备纳米结构 WC 复合块材的方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述传统纳米结构碳化钨( WC)复合块材制备技术中的不足，公开了一种以纳米WC或纳米WC与钴混合粉末为原材料，原材料中钴所占质量分数为0%—30%，通过净化处理，在高温超高压条件下制备纳米结构WC复合块材的方法。

本发明所述制备WC复合块材的方法按照如下步骤进行：

一、除杂，得到高纯度纳米WC或纳米WC与钴混合粉末初始材料。若原料本身很纯，可以不再进行此步骤。除杂的工艺流程为：连续冲洗、粉液分离洗涤、加热烘干三道工序。其中冲洗液的种类，可根据具体情况适当变动。

a.     连续冲洗：将原料置于无水乙醇溶液容器中，在容器中不断注入无水乙醇，期间容器不断震荡，使得杂质与原材料分离（杂质密度与原料密度不同）。

b.     粉液分离洗涤：连续冲洗以后，在容器中沉降原料微粉，沉降完毕后倒去液体，留下原料微粉。

c.     加热烘干：将烧杯中的留下的原料微粉放入加热炉进行烘干处理，处理温度为70℃，直至烘干。

二、真空预压高温处理：将除杂后的原料微粉放入事先设计好的模具中，将模具放入真空热压炉处理腔。处理时保证真空度优于4 x 10^-3Pa，温度为500-700℃，处理时间为1-3小时。采用约30 MPa 的压力对原料进行预压，真空高温预压后立即将原材料进行密封处理。

三、装配烧结单元：打磨和抛光包裹材料钽箔表面，进行去油、超声波清洗、红外烘干。将处理净化后的原料微粉放入包裹中，放入高压合成装置的样品腔。

四、高温高压烧结：烧结压力为2-10 GPa,保压的同时进行加温，烧结温度为1000-2000℃，保温5-30分钟。保温完毕后缓慢降温至300-500℃，开始降压。降压过程中保持温度为300-500℃。

五、后续加工：通过磨床除去样品包裹，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。

 

本发明的优点在于：

本发明公开的纳米结构碳化钨复合块体材料，采用纳米碳化钨或纳米碳化钨与钴混合粉末为原材料，通过净化处理，在高温超高压条件下，利用超高压可以抑制材料中的原子在高温下的长程扩散，从而抑制材料晶粒长大的原理，来制备纳米结构WC复合块材。原材料中钴所占质量分数为0%—30%，不含有其他的金属陶瓷抑制剂。这使得本发明的高性能纳米结构碳化钨复合块材的硬度与断裂韧性比现有产品高出50 %，且其密度接近理想密度。另外，本发明的制备方法简单易行，可方便用于大批量生产。

 本发明所述的纳米结构碳化钨复合块体材料的硬度硬度与断裂韧性比现有产品高50 %，且其密度接近理想密度。这种材料不仅可作为普通切削刀具材料，也可作高强度模具材料。

本发明可以利用国产铰链式六面顶压机产生的高温超高压条件下制备纳米结构碳化钨复合块体材料。铰链式六面顶压机是目前生产金刚石微粉、烧结传统人造金刚石聚晶的主要设备。本发明可以在现有设备的基础上，大规模制备高性能纳米结构碳化钨复合块体材料。下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

附图1本发明工艺流程图：

附图2烧结单元装配图：

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只对于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可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

    选用平均粒径为30 nm的碳化钨与平均粒度为0-2μm的金属钴混合粉末，其中碳化钨的质量分数为85 %，按照图1所示的工艺流程图制备出高性能纳米结构碳化钨复合块体材料。   

碳化钨与钴混合粉末先经过连续冲洗、粉液分离洗涤、加热烘干除杂。然后，将除杂后的原料微粉放入事先设计好的模具中，将模具放入真空热压炉处理腔。处理时保证真空度优于4 x 10^-3Pa，温度为500-700℃，处理时间为1-3小时。采用约30 MPa 的压力对原料进行预压，真空高温预压后立即将原材料进行密封处理。

按照烧结单元装配图组装烧结单元，，如图2所示。其中1为保温材料，2为加热片，3为加热管，4为包裹管，5为包裹片，6为保温材料，7为导电电极。先打磨和抛光包裹材料钽箔表面，进行去油、超声波清洗、红外烘干处理。将净化处理后的微粉放入包裹中，预压成型，并按照装配图组装烧结单元组。高温高压烧结时，烧结压力为5 GPa,烧结温度为1500℃,烧结时间为10分钟。降温降压后，将样品通过磨床除去样品包裹，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。

采用此工艺制备的高性能纳米结构碳化钨块体材料物相只含碳化钨与金属钴，且通过压力和温度的控制，使原材料中碳化钨纳米晶粒不再长大，此材料具有高硬度和致密度，高的热稳定性，耐磨性和韧性，是一种性能非常优越的纳米结构碳化钨块体材料。

Claims (3)

1.一种利用高温超高压制备纳米结构碳化钨复合块材的方法，其特征在于：在高温超高压条件下，采用纳米碳化钨或纳米碳化钨与钴混合粉末为原材料，原材料中钴所占质量分数为0%—30%；包括如下工艺步骤：一、机械混合，得到混合均匀的粉体原料； 二、真空高温处理，净化粉体表面；三、高温超高压烧结，得到高性能纳米结构碳化钨复合块体材料。

2.根据权利要求1所述的高温超高压制备纳米结构碳化钨复合块材的方法，其特征在于原材料可为：纳米碳化钨或纳米碳化钨与钴混合粉末，原材料中钴所占质量分数为0%—30%。

3.根据权利要求1所述的高温超高压制备纳米结构碳化钨复合块材的方法，其特征在于将净化后的纳米碳化钨或纳米碳化钨与钴混合粉末预压成型后，进行高温超高压烧结，高温超高压烧结的压力为2-10 GPa, 温度为1000-2000℃。