CN105154743A

CN105154743A - 一种WC/Co-ZrB2硬质合金及其制备方法

Info

Publication number: CN105154743A
Application number: CN201510516859.2A
Authority: CN
Inventors: 张根荣; 陈海; 李公久; 束晨阳; 董丽华
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种热压烧结的WC/Co-ZrB₂硬质合金复合材料，其组份为：粒度为0.8微米的WC粉（93.31,91.20,88.96）%，粒度为0.8微米的Co粉（4.62,4.52,4.40）%,粒度为1微米的ZrB₂粉（2.07,4.28,6.64）%；上述原料通过与无水乙醇混合配料，烘干后烧结成型制备得到。本发明同时公开了上述WC/Co-ZrB₂硬质合金复合材料的制备方法，其可烧结复杂样品，所得复合材料具有良好的力学性能及耐腐蚀性，同时在高温环境下具备良好的耐热耐震性，适合批量生产，具有良好的商业价值。本发明可广泛应用于深海钻井、航空航天等高温、强腐蚀工作环境下的材料表面涂层的制造中。

Description

一种WC/Co-ZrB2硬质合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及硬质合金的制备方法，具体是一种WC/Co-ZrB₂硬质合金的制备方法。

背景技术

碳化钨/钴（WC/Co）系是一种具有高硬度及强度，同时兼具良好的红硬性和耐磨性等特性的硬质合金，适宜在高温下进行机械加工，可制作切削工具、窑炉的结构材料、喷气发动机、燃气轮机等。近年来，随着硬质合金产业不断发展，新型纳米级高硬度、高韧性、高强度超细硬质合金材料的研制与开发，WC/Co系硬质合金越来越得到了人们的重视。然而，该硬质合金产品的应用中却存在着明显的问题：WC/Co系硬质合金在高温下耐热耐震性较差，强度也有所降低，同时在某些环境中耐腐蚀性差，这些无疑限制了WC/Co系硬质合金在高温高压，强腐蚀环境下的应用。而二硼化锆（ZrB₂）是一种耐高温,且常温和高温下强度均很高的陶瓷材料。它不仅耐热震性好,电阻小,而且在高温下抗氧化性良好，耐腐蚀性好。因此，WC/Co-ZrB₂可以成为解决WC/Co系硬质合金在高温下强度不足，耐热耐震性较差这一问题的新型复合材料。

由于WC的烧结性较差，即使使用Co作为粘结剂进行烧结，其温度也要达到1350℃以上，目前主要的烧结方法有常压烧结、气压烧结，热等静压烧结、热压烧结和放电等离子烧结等方法，其中常压烧结及气压烧结制备的WC/Co系硬质合金性能较差，难以达到较高的致密度；热等静压烧结设备成本高，烧结工艺复杂，难以应用于大规模工业化生产；放电等离子烧结则只能应用于小批量生产，且不能直接烧结成特定的形状，需要后期加工。因此可以采用热压烧结法制备WC/Co-ZrB₂，使其在保证材料性能的前提下，降低生产成本及能源消耗，广泛应用于特殊工作环境下的高精度零件的生产制造中。

经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN103757603A的中国专利公开了一种高致密度陶瓷基复合材料及其制备方法和应用，该方法介绍了一种ZrB₂为主要成分，添加一定量WC成分的陶瓷复合材料的制备方法，但该方法仅仅适用于陶瓷基复合材料的制备，应用范围较窄，无法应用于WC/Co为主要成分的硬质合金的制备。经文献检索还发现，张丽等在《硬质合金》（2006年9月，第23卷增刊，第165-169页）发表了“WC—Co硬质合金渗硼的研究与应用进展”，其中介绍了一种在烧结过程中以扩散转移渗入方式添加硼的方法，具体方法为：在有含硼物料存在的条件下，对WC/Co合金压坯进行烧结，使一定数量的硼以含硼物料转移到压坯材料中，并自表面扩散到至少3mm深度的整个显微组织中去。该方法仅仅使ZrB₂分布于WC/Co硬质合金的表面，且渗层由于生成于不同基体的物质，从而使热膨胀系数不均，在使用过程中会因表面热应力过大而使渗层脱落，因此该方法制备的合金不适合高温高压工作环境下的应用。

通过检索现有专利和文献，未发现有采用热压烧结法制备WC/Co-ZrB₂硬质合金的报导。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种生产方法简单的热压烧结法制备WC/Co-ZrB₂硬质合金，增强了材料在高温下的耐热耐震性，同时提高了材料的耐腐蚀性。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种热压烧结的WC/Co-ZrB₂硬质合金复合材料，其组份为：粒度为0.8微米的WC粉（93.31,91.20,88.96）%，粒度为0.8微米的Co粉（4.62,4.52,4.40）%,粒度为1微米的ZrB₂粉（2.07,4.28,6.64）%，上述原料通过与无水乙醇混合配料，烘干后烧结成型制备得到。

上述WC/Co-ZrB₂复合材料具体制备方法的步骤为：

（1）首先将粒度0.8微米的重量百分比为（93.31,91.20,88.96）％的WC粉和粒度0.8微米重量百分比为（4.62,4.52,4.40）％的Co粉装入行星球磨机中混合，分散介质为无水乙醇，转速100转/分，时间为14小时，再加入粒度为1微米重量百分比为（2.07,4.28,6.64）％的ZrB₂混合6小时，取出烘干。

（2）将干燥后的原料放入石墨磨具中，并将石墨磨具置于热压烧结炉中。接着，在常温下预压15min。然后，以15℃/min的升温速率升温至1200℃，加压至10Mpa。随后5min升温至1350℃，再加压至20Mpa，保温保压1.5小时。最后，开始卸压，冷却至常温。最终得到WC/Co-ZrB₂复合材料。

本发明制备方法可烧结复杂样品，所得复合材料具有良好的力学性能及耐腐蚀性，同时在高温环境下具备良好的耐热耐震性，适合批量生产，具有良好的商业价值。本发明可广泛应用于深海钻井、航空航天等高温、强腐蚀工作环境下的材料表面涂层的制造中。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

（1）首先将粒度为0.8微米重量百分比为93.31％的WC粉和粒度为0.8微米重量百分比为4.62％的Co粉装入新型球磨机中混合，转速100转/分，时间为14小时，再加入粒度为1微米重量百分比为2.07%的ZrB₂粉混合6小时，取出烘干8小时，取出后烘干。

经测得抗弯强度为583MPa，断裂韧性为7.47MPa·m^1/2，维氏硬度为17.24GPa。

实施例2:

（1）首先将粒度为0.8微米重量百分比为91.20％的WC粉和粒度为0.8微米重量百分比为4.52％的Co粉装入新型球磨机中混合，转速100转/分，时间为14小时，再加入粒度为1微米重量百分比为4.28%的ZrB₂粉混合6小时，取出烘干8小时，取出后烘干。

（2）将干燥后的原料放入石墨磨具中，并将石墨磨具置于热压烧结炉中。接着，在常温下预压15min。然后，以15℃/min的升温速率升温至1200℃，加压至10Mpa。随后5min升温至1350℃，再加压至20Mpa，保温保压1.5小时。最后，开始卸压，冷却至常温，最终得到WC/Co-ZrB₂复合材料。

经测得抗弯强度为512MPa，断裂韧性为6.67MPa·m^1/2，维氏硬度为15.94GPa。

实施例3:

（1）首先将粒度为0.8微米重量百分比为88.96％的WC粉和粒度为0.8微米重量百分比为4.40％的Co粉装入新型球磨机中混合，转速100转/分，时间为14小时，再加入粒度为1微米重量百分比为6.64%的ZrB₂粉混合6小时，取出烘干8小时，取出后烘干。

经测得抗弯强度为494MPa，断裂韧性为6.39MPa·m^1/2，维氏硬度为15.83GPa。

上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种热压烧结的WC/Co-ZrB₂硬质合金复合材料，其特征在于其组份为：粒度为0.8微米的WC粉（93.31,91.20,88.96）%，粒度为0.8微米的Co粉（4.62,4.52,4.40）%,粒度为1微米的ZrB₂粉（2.07,4.28,6.64）%；上述原料通过与无水乙醇混合配料，烘干后烧结成型制备得到。

2.如权利要求1所述的热压烧结的WC/Co-ZrB₂硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将粒度0.8微米重量百分比为（93.31,91.20,88.96）％的WC粉和粒度0.8微米重量百分比为（4.62,4.52,4.40）％的Co粉装入行星球磨机中混合，分散介质为无水乙醇，转速100转/分，时间为14小时，再加入粒度为1微米重量百分比为（2.07,4.28,6.64）％的ZrB₂混合6小时，取出烘干；

步骤二、将干燥后的原料放入石墨磨具中，并将石墨磨具置于热压烧结炉中；接着，在常温下预压15min；然后，以15℃/min的升温速率升温至1200℃，加压至10Mpa；随后5min升温至1350℃，再加压至20Mpa，保温保压1.5小时；最后，开始卸压，冷却至常温，得到WC/Co-ZrB₂硬质合金复合材料。