CN105154707A

CN105154707A - 一种碳化钨复合材料的制备方法及其应用

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Publication number: CN105154707A
Application number: CN201510703949.2A
Authority: CN
Inventors: 张建峰; 赵春龙; 李改叶; 杨伟华; 张欣; 吴玉萍
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种碳化钨(WC)复合材料的制备方法，涉及材料加工工程领域。其中粉体的混合采用两步混合法，先将多种金属粉末混合，然后再与WC粉体混合，通过将多种金属元素粉末与WC混合后在高温下的均匀合金化反应，保证了合金化反应和烧结过程的同步完成。反应过程中的放热反应可以降低烧结所需温度，通过改变快速烧结炉的烧结工艺参数，如升降温速率、保温时间、烧结压力、烧结气氛等多个因素可以有效控制碳化钨基复合刀具材料的微观结构，降低成本，提高碳化钨基复合材料的致密性和力学性能，从而在切削刀具、模具等领域具有良好的产业前景。

Description

一种碳化钨复合材料的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于材料加工工程领域，具体涉及一种低成本高性能的碳化钨复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削温度作用下的机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损和破损，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性(氧化性、扩散性、溶解度等)和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等[艾兴、刘占强等，高速切削刀具的进展和未来.制造技术与机床，2001年第8期：21-25]。基于这一要求，近几十年来，发展了一批适于高速切削的刀具材料，可在不同切削条件下，加工切削各种工件材料。目前较常见的高速切削材料有硬质合金材料、陶瓷材料和金刚石材料，其中硬质合金材料运用最多最广。硬质合金(Carbidematerial)通常采用高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)的微米数量级粉末，采用Co、Mn、Ni等作粘结剂烧结而成的硬度高、耐磨性好，耐高温，切削速度高的材料[AmartyaMukhopadhyay·BikramjitBasu,RecentDevelopmentofWCbulkmaterials[J].JMaterSci(2011)46:571-589]。碳化钨材料本身的强度和韧性较差，承受震动和冲击能力较差，以Co等金属作为粘结剂可以改善这些缺点。钴是一种非常稀缺的资源，是重要的战略资源之一，其具有的战略性远远超过钨钼锡锑，价格较高。同时WC材料的一些优异的性能也会因此受到影响，尤其是在高温、高速、腐蚀环境下的性能[祝溪明，高速切削刀具材料的发展应用研究.机械设计与制造2012年11月第11期：244～245；刘建永，吴连连.高速切削刀具材料的研究进展.热处理技术与装备，2012(2)：39～41]。

近年来国内外有很多用不同金属或金属间化合物部分或完全替代钴来作为WC的粘结剂的研究工作，试图在改善WC材料的力学性能，提高致密度的同时，提高材料的耐高温、抗腐蚀的性能。金属间化合物(IntermetallicsCompounds，简称：IMC)是指金属与金属、类金属间形成的化合物。金属间化合物由于其本身特殊的微观组成特殊的晶体结构、电子结构、能带结构，因而具有十分优异的力学性能、抗氧化耐腐蚀性能和特殊的物理性能。常见的金属间化合物有Ni-Al系金属间化合物、Fe-Al系金属间化合物和Ti-Al系金属间化合物。其中，Ni-Al系金属间化合物包括Ni₃Al基合金和NiAl基合金两类。目前主要的制备方法主要为金属间化合物预合金法或置换反应方法等。李小强等人公开了一种以Ni₃Al为粘结相的碳化钨材料及制备方法，以增韧Ni₃Al代替传统粘结相钴，采用电流快速烧结法成型固结球磨粉末[一种以Ni₃Al为粘结相的碳化钨材料及其制备方法，中国发明专利，公开号：CN10323925A]。龙坚战等人的授权专利中，发明了一种以铁-铝金属间化合物为主粘结相的硬质合金制备方法，具有致密化高、强度高、耐磨性好等优点[以铁-铝金属间化合物为主粘结相的硬质合金及制备方法，中国发明专利，授权公告号：CN102134663B]。陈必志等人发明了一种以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金及制备方法，以WC-Al₄W预合金粉体为前驱体，由碳化钨粉、镍粉、NiAl金属间化合物为粘结相的硬质合金[一种以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金及其制备方法，中国发明专利，授权公告号：CN103205589B]。总体来说，目前WC刀具复合材料制备方法中，往往先要合成金属间化合物粉体，然后与WC混合并烧结成型，步骤冗长，提高了制备成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过原位反应和快速烧结技术制备碳化钨复合材料的方法，主要通过加入Ni、Al等元素粉体，与WC混合均匀后，在反应过程中实现烧结助剂粉体间的合金化反应，通过改变烧结升降温速率、保温时间、烧结压力等多个因素来控制碳化钨基复合刀具材料的微观结构，通过简化操作步骤以及减少Co等元素的使用量降低成本，提高碳化钨基复合材料的致密性和力学性能。

为实现上述技术目的，本发明采取如下技术方案：一种WC基复合材料的制备方法，以NiAl为例，包括如下步骤：

(1)将Ni粉、Al粉先混合均匀，干燥，过筛；

(2)将步骤(1)混合后的粉体与WC粉体混合均匀，干燥，过筛；

(3)将步骤(2)的粉体倒入石墨模具中，预压；

(4)将装有粉体的石墨模具放到烧结炉内，抽真空，加压，开始烧结；

(5)烧结反应结束后，降温至室温，先打开通气阀，降压后，打开炉膛，取出样品，得到块体材料；

(6)将步骤(5)得到的块体材料打磨，去掉表面的石墨片，得到复合材料。

优选地，采用的Ni粉体的粒径为0.5～10μm，Al粉的直径为2～5μm，纯度均大于98％，Ni和Al摩尔比为1:1～3:1。

WC粉体的粒径为1～20μm，纯度大于99％，Ni和Al的总重量含量占整个碳化钨复合材料的5～15wt％。

其中，(1)和(2)中粉体的混合方法为行星球磨，球磨在酒精或丙酮中进行。

更进一步地，步骤(1)中Ni和Al粉混合时间为12-24h，步骤(2)中混合时间为6-12h。

步骤(1)和(2)中混合后的粉体均过50～200目筛3～4次。

优选地，烧结过程中炉体保持为真空或氩气气氛。

步骤(4)的烧结条件为：升温速率为50～100℃/min，将装有粉末的石墨模具放到烧结炉内，抽真空，通入氩气气氛加压，烧结升温速率为100℃/min，烧结过程中预压25MPa，温度在1000℃后，再加压至50MPa，最终烧结温度为1600℃，保温时间为3min。

本发明进一步提出了上述碳化钨复合材料在制备碳化钨刀具上的应用。

本发明的有益效果：本发明提供了一种通过原位反应和快速烧结技术制备碳化钨基刀具复合材料的方法，两步混合法混料，先Ni和Al金属粉末混合，然后再与WC粉体混合，通过将多种金属元素粉末与WC混合后在高温下的合金化反应，保证了合金化反应和烧结过程的同步完成，反应过程中的放热反应可以降低烧结所需温度，通过改变烧结工艺参数，如升降温速率、保温时间、烧结压力、烧结气氛等多个因素可以有效控制碳化钨基复合刀具材料的微观结构，降低成本，提高碳化钨基复合材料的致密性和力学性能，从而具有良好的产业前景。

附图说明

图1为实例1所述实验参数下获得的WC-NiAl复合材料的表面微观结构照片；

图2为实例1所述实验参数下获得的WC-Ni_xAl_y复合材料的硬度测试结果，同时加入了WC-Co的硬度值作为比较。其中Ni_xAl_y和Co的重量含量均为10wt％。

具体实施方式

以下为本发明的优选实施方式，仅用于解释本发明，而非用于限制本发明，且由该说明所作出的改进都属于本发明所附权利要求所保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种WC基复合材料的制备方法，用于制备WC基刀具。复合材料的制备步骤如下：

(1)将Ni粉(粉体平均粒径：0.5μm)、Al粉(粉体平均粒径：2μm)混合，Ni和Al的摩尔比为1:1，总重量为50g。先在酒精中通过行星球磨混合均匀，混合24h，然后在80℃温度下干燥12h，过200目筛3次；

(2)将步骤(1)混合后的粉体5g与WC粉体(45g，粉体平均粒径：10μm)通过行星球磨在丙酮或酒精中混合均匀，混合12h，然后在80℃温度下干燥12h，过200目筛3次；

(3)将步骤(2)的粉体倒入石墨模具中，用压机预压，压力为7MPa；

(4)将装有粉末的石墨模具放到烧结炉内，抽真空，通入氩气气氛加压，烧结升温速率为100℃/min，烧结过程中预压25MPa，温度在1000℃后，再加压至50MPa，最终烧结温度为1600℃，保温时间为3min；

(5)烧结反应结束后，降温至室温，先打开通气阀，降压后，打开炉膛，取出样品；

(6)将步骤(5)得到的块体材料打磨，去掉表面的石墨片，抛光，得到WC基复合刀具材料。

将取出的WC基复合刀具材料分析观察和性能测试。

图1为实例1所述实验参数下获得的WC-NiAl复合材料的表面微观结构照片，其中NiAl和Co的重量含量均为10wt％。Co为最常用的WC烧结粘结剂，此处同时加入了WC-Co体系作为对比，制备方法和本发明一样。其中NiAl和Co的重量含量均为10wt％。

图2为实例1所述实验参数下获得的WC-NiAl复合材料的硬度测试结果，同时加入了WC-Co的硬度值作为比较。其中NiAl和Co的重量含量均为10wt％。

表1为实施例1所述实验参数下获得的WC-Ni₃Al复合材料的腐蚀电位和腐蚀电流测试结果，同时加入了WC和WC-Co的腐蚀测试结果作为比较。其中NiAl和Co的重量含量均为10wt％。腐蚀电位E_corr反映材料的腐蚀倾向性，E_corr负值越大，材料发生腐蚀的倾向性越大；腐蚀电流i_corr代表材料在自然状态下，给定环境中，自发发生腐蚀的平均速率，i_corr越大，则腐蚀速率越快。结果表明所得的WC-NiAl复合材料具有优异的硬度和抗腐蚀等性能。

表1WC-NiAl复合材料的腐蚀电位和腐蚀电流测试结果

腐蚀参数	WC	WC-NiAl	WC-Co
				腐蚀电位E_corr(V)	-0.3	-0.27	-0.55
腐蚀电流i_corr(A)	-6	-6.15	-5.25

实施例2

本实施例提供了一种WC基复合材料的制备方法，用于制备WC基刀具，其制备步骤如下：

(1)将Ni粉(粉体平均粒径：0.5μm)、Al粉(粉体平均粒径：2μm)混合，其中Ni和Al的摩尔比为2:1，总重量为50g。先在丙酮通过行星球磨混合均匀，混合24h，然后在80℃温度下干燥12h，过200目筛3次；

(2)将步骤(1)混合后的粉体(2.5g)与WC粉体(47.5g，粉体平均粒径：1μm)通过行星球磨在丙酮或酒精中混合均匀，混合12h，然后在80℃温度下干燥12h，过200目筛3次；

(3)将步骤(2)得到的粉体倒入石墨模具中，用压机预压，压力为5MPa；

(4)将装有粉体的石墨模具放到烧结炉内，抽真空，通入氩气气氛，烧结升温速率为50℃/min，烧结过程中预压25MPa，温度在1000℃后，再加压至50MPa，最终烧结温度为1300℃，保温时间为5min；

(5)烧结反应结束后，降温至室温，先打开通气阀，降压后，打开炉膛，取出块体材料样品；

(6)将步骤(5)得到的块体材料打磨，去掉表面的石墨片，抛光；

将取出的WC基复合刀具材料进行分析观察和测试。

实施例3

本发明提供了一种WC基复合刀具材料的制备方法，制备步骤如下：

(1)将Ni粉(粉体平均粒径：0.5μm)、Al粉(粉体平均粒径：2μm)混合，其中Ni和Al的摩尔比为3:1，总重量为50g。先在丙酮中通过行星球磨混合均匀，混合24h，然后在80℃温度下干燥12h，过200目筛3次；

(2)将步骤(1)混合后的粉体(7.5g)与WC粉体(42.5g，粉体平均粒径：20μm)通过行星球磨在丙酮或酒精中混合均匀，混合12h，然后在80℃温度下干燥12h，过200目筛3次；

(3)将步骤(2)的粉体倒入石墨模具中，用压机预压，压力为10MPa；

(4)将装有粉末的石墨模具放到烧结炉内，抽真空，通入氩气气氛加压，烧结升温速率为100℃/min，烧结过程中预压25MPa，温度在1000℃后，再加压至50MPa，最终烧结温度为1800℃，保温时间为10min。

将取出的WC基复合材料进行分析观察和性能测试。

表2为实施例3所述实验参数下获得的WC-Ni₃Al复合材料的腐蚀电位和腐蚀电流测试结果，同时加入了WC和WC-Co的腐蚀测试结果作为比较。其中Ni₃Al和Co的重量含量均为10wt％。腐蚀电位E_corr反映材料的腐蚀倾向性，E_corr负值越大，材料发生腐蚀的倾向性越大；腐蚀电流i_corr代表材料在自然状态下，给定环境中，自发发生腐蚀的平均速率，i_corr越大，则腐蚀速率越快。结果表明所得的WC-Ni₃Al复合材料具有优异的硬度和抗腐蚀等性能。

表2WC-Ni₃Al复合材料的腐蚀电位和腐蚀电流测试结果

腐蚀参数	WC	WC-NiAl	WC-Co
				腐蚀电位E_corr(V)	-0.3	-0.24	-0.55
腐蚀电流i_corr(A)	-6	-6.25	-5.25

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将Ni粉、Al粉先混合均匀，干燥，过筛；

(2)将步骤(1)混合后的粉体与WC粉体混合均匀，干燥，过筛；

(3)将步骤(2)的粉体倒入石墨模具中，预压；

2.根据权利要求1所述的碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于，Ni粉体的粒径为0.5～10μm，Al粉的直径为2～5μm，纯度均大于98％，Ni和Al摩尔比为1:1～3:1。

3.根据权利要求1所述的碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于，WC粉体的粒径为1～20μm，纯度大于99％，Ni和Al的总重量含量占整个碳化钨复合材料的5～15wt％。

4.根据权利要求1所述的碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中粉体的混合方法为行星球磨，球磨在酒精或丙酮中进行。

5.根据权利要求4所述的碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中Ni和Al粉混合时间为12～24h，步骤(2)中混合时间为6～12h。

6.根据权利要求4所述的碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中混合后的粉体均过50～200目筛3～4次。

7.根据权利要求1所述的碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于，烧结过程中炉体保持为真空或氩气气氛。

8.根据权利要求1所述的碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)的烧结条件为：升温速率为50～100℃/min，烧结过程中预压20～25MPa，先升温至1000℃，保温5min，再加压至50～60MPa，然后升温至1300～1800℃，保温时间为3～10min。

9.权利要求1～8任一项所述的碳化钨复合材料在制备碳化钨刀具上的应用。