CN108339986A - 微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料及制备方法 - Google Patents

微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料及制备方法，按重量百分比计包含以下组分：碳化钨粉末：80％～90％、镍粉：10％～20％；以及高强钢芯。所述碳化钨粉末的粒径为50～100nm，所述镍粉粒径为50～100nm。本发明采用两种金属粉末和一种金属钢芯的复合材料，生产出同时兼具镍和超细晶碳化钨硬质合金的高硬度、高耐磨性和高强钢芯的高断裂韧性的超细微钻头。

Description

微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料及制备方法。
背景技术
当今世界经济的发展无疑都是以信息产业为基础。我国的信息产业已成为国民经济的第一支柱产业，其中印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)产业是信息产业的基础，它是电子元器件集成的支撑体，同时也为电子元器件提供连接体。随着电子信息产业在我国的发展，PCB板需求量越来越大，其中智能手机、平板电脑、笔记本电脑、路由器对PCB板的消耗量最大。相应的，加工PCB板的硬质合金微钻的需求量也在不断增加。钻孔是PCB制造过程中的一个关键工序，PCB用微钻(以下简称微钻)制造技术发展的好与坏将会对PCB制造行业起到促进或制约的作用。随着科学技术的飞速发展，印制板数控钻孔和微型钻头的开发遇到了越来越大的挑战：PCB的层数越来越多，PCB微小孔的直径越来越小，这对PCB孔质量提出了更高和更严的要求，因而加工难度进一步增大。
钻头材料的性能对微钻孔质量有着重要的影响，又会影响到电镀或其他后续的工序，因此决定了电路板的可靠性。通过系统分析，PCB微钻头的理想材质应具备“三高”的特性，即高耐磨性、高韧性和高热导率。现在多采用晶粒微细化的高韧性硬质合金。微钻头通常是由钴钢或细晶碳化钨制成。
硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金工艺制备而成，其具有硬度高、热硬性好、耐腐蚀等一系列优良性能。普通硬质合金的强度和硬度之间存在矛盾，即提高硬质合金硬度就要牺牲其强度。但当硬质合金中的碳化物晶粒尺寸降到亚微米尺度时，硬质合金的强度和硬度均同时提高，而且提高的幅度随着碳化物晶粒度的进一步减小而更加明显。习惯上人们把碳化物平均晶粒度小于0.5μm的硬质合金称为超细晶硬质合金。超细晶硬质合金的晶粒细小，存在高密度的晶界，原子排列复杂，具有很大的表面积/体积比，这些结构特征使得其表现出不同于普通材料的物理、力学性能。大量的实验已证实，超细晶硬质合金的强度、硬度、抗热振性、抗氧化性均能得到显著增强，其有效解决了传统硬质合金强度与硬度之间的矛盾，实现了“双高”——高强度和高硬度。目前，超细晶硬质合金已成功应用于切削刀具、高精度模具及军工产品等领域。
碳化钨是目前加工微钻头的使用比较广泛的材料。近年来，碳化钨工业取得的重大成就增加了微钻头的重要性。碳化钨微钻头在晶粒尺寸、硬度、耐磨性、断裂强度和断裂韧性等方面表现出优异的性能。碳化钨的晶粒尺寸对于材料性能是至关重要的，晶粒细小的碳化钨具有良好的力学性能和优良的切削性能，是制造微型钻头的首选材料。但是现有的这种碳化钨硬质合金材料的韧性不足时，却很容易碎裂。因此要完成微小孔的机械钻削，很有必要开发具有优异的整体综合性能的微钻头材料。微钻头的主要原材料钨是一种稀有金属，减少其消耗是另一个重要的议题。因此，在经济有效地利用资源的基础上，开发具有优异的综合性能的复合微钻头材料有着重要的意义。
一般的硬质合金PCB微钻头是由一种或多种难熔金属的碳化物(如碳化钨WC)作为硬质相，用金属粘结剂钴(Co)作为粘结相，经粉末冶金方法烧结成合金圆棒，再经多重的磨削和研磨而制成。这种方法存在生产周期长、原材料浪费和生产成本高的问题。申请号为CN201210009256.X的中国专利文献：“钨镍无磁硬质合金材料的制备方法”中通过干粉压制或注塑成型然后真空烧结的方法制得了硬度适中易于加工的硬质合金材料。但是存在烧结时间过长和生产周期过长的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料及制备方法，采用两种金属粉末和一种金属钢芯的复合材料，生产出同时兼具镍和超细晶碳化钨硬质合金的高硬度、高耐磨性和高强钢芯的高断裂韧性的超细微钻头。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料，按重量百分比计包含以下组分：碳化钨粉末：80％～90％、镍粉：10％～20％；以及高强钢芯。
所述碳化钨粉末的粒径为50～100nm，所述镍粉粒径为50～100nm。
采用微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料制备微钻头的方法，包括以下步骤：
1)将粒径为50～100nm的碳化钨粉末与粒径为50～100nm的镍粉采用机械混合法均匀混合在一起；
2)将制备好的镍和碳化钨混合粉末填入模具Ⅰ内，模具Ⅰ安装在压力机上；
3)打磨高强钢芯，将高强钢芯放置在压力机中心；
4)压力机加压使高强钢芯进入模具Ⅰ内，并处于模具Ⅰ中心位置；用1000～5000MPa的压力将混合金属粉末冷压成型；
5)将模具Ⅰ与主体模具安装连接，然后将装有镍和碳化钨混合粉末和高强钢芯的模具放入热压炉中，抽真空，真空度0.9～1.3×10-4Pa；先用激光加热器对模具Ⅰ部分进行加热烧结；在加热的同时对压头施加均衡压力，在挤压、烧结作用下使镍和碳化钨混合粉末与高强钢芯复合为一体，待温度达到1200～1300℃后，保温1～1.5h。
在上述步骤3)中，在打磨后的高强钢芯表面涂抹增塑剂和润滑剂。
所述的增塑剂为机油或石蜡，所述的润滑剂为矿物油。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明制备方法简单、生产周期短、适合工业化生产：先采用大压力冷压成型能够促进粉末材料致密化，降低烧结温度、缩短烧结时间，采用激光加热的方式能够快速升温。进而缩短生产周期。
2)能够生产直径小于1mm的超细复合材料微钻头：采用特制的模具压头能够生产出同时兼具镍和超细晶碳化钨硬质合金的高硬度、高耐磨性和高强钢芯的高断裂韧性的超细微钻头。
3)打破了传统粉末冶金方法的局限性：传统的粉冶金方法主要是两种或多种金属粉末混合烧结的方式，存在一定局限性，本发明采用两种金属粉末和一种金属钢芯的复合材料能够充分利用高强钢芯的特点。所生产的产品硬度可达95.5HRa、断裂强度达到4.2GPa。
4)降低了生产成本：采用一体成型的方式，减少了稀有金属的使用，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明微钻头制备方法的工艺简图。
图中：1-镍和碳化钨混合粉末、2-高强钢芯、3-压头、4-模具Ⅱ、5-模具Ⅲ、6-模具Ⅰ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料，按重量百分比计包含以下组分：碳化钨粉末：80％～90％、镍粉：10％～20％；以及高强钢芯。
所述碳化钨粉末的粒径为50～100nm，所述镍粉粒径为50～100nm。
见图1，采用微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料制备微钻头的方法，包括以下步骤：
1)将粒径为50～100nm的碳化钨粉末与粒径为50～100nm的镍粉采用机械混合法均匀混合在一起。
机械混合前将碳化钨粉末与镍粉进行清洗，清洗后用蒸馏水反复冲洗10次。
2)将制备好的镍和碳化钨混合粉末1填入模具Ⅰ6内，模具Ⅰ6安装在压力机上。
3)打磨高强钢芯2，用高精度的计算机辅助定位系统将高强钢芯2放置在压力机中心。
4)压力机加压使高强钢芯2进入模具Ⅰ6内，并处于模具Ⅰ6中心位置；用1000～5000MPa的压力将混合金属粉末冷压成型。
如图1所示，本发明采用特制的压头3，该压头3的中心位置处设有高强钢芯2的定位槽孔，再将该压头3固定在压力机的中心位置，模具Ⅰ6的中心轴与压头3的中心轴同轴，通过压力机上的压头3将高强钢芯2压入镍和碳化钨混合粉末1中。
5)将模具Ⅰ6与主体模具安装连接，然后将装有镍和碳化钨混合粉末1和高强钢芯2的模具放入热压炉中，抽真空，真空度0.9～1.3×10-4Pa；先用激光加热器对模具Ⅰ6部分进行加热烧结；通过调节激光束的功率来控制加热温度，在加热的同时对压头3施加均衡压力，在挤压、烧结作用下使镍和碳化钨混合粉末1与高强钢芯2复合为一体，待温度达到1200～1300℃后，保温1～1.5h。
6)经过模具Ⅰ6烧结挤压后复合金属棒进入内径等于微钻头直径的模具Ⅱ4继续挤压加工，得到微钻头使用直径D和要求的力学性能。
7)复合金属棒在挤入带有内螺旋结构的模具Ⅲ5的过程中，模具Ⅲ5同时旋转；微钻头成型后，在模具Ⅰ6和模具Ⅱ4连接处设置切割机进行切割，最终得到三维形状的复合微钻头。
本发明采用的模具是公开号为CN201610829294.8的专利文件公开的专利技术。该模具包括模具Ⅰ6、模具Ⅱ4和模具Ⅲ5三个部分，其中模具Ⅰ6用于高强钢芯2与金属粉末的冷定型；模具Ⅱ4主要用于通过一定压力挤压完成减小直径和进一步挤压成型加工过程；模具Ⅲ5的设计是根据微钻头的长度、螺旋角、槽宽比和腹板厚度而设计的，D，L1，L2分别为微钻头的直径、柄长和槽长。为了防止在挤压过程中发生咬边现象而设计了切割槽相分离的结构。
在上述步骤3)中，在打磨后的高强钢芯2表面涂抹增塑剂和润滑剂。
所述的增塑剂为机油或石蜡，所述的润滑剂为矿物油。
加热过程采用激光加热器对模具内的镍和碳化钨混合粉末1和高强钢芯2进行加热。
碳化钨颗粒的抗氧化能力较好，具有良好的导热性和耐化学腐烛性，是一种性能优良的耐磨陶瓷颗粒。碳化钨颗粒抵抗冲击磨料磨损的能力强、与金属基体的结合较好、硬度高。
本发明采用的是颗粒增强金属基复合材料，是金属或合金基体与硬质陶瓷颗粒相结合而成的复合材料，基体与增强颗粒之间可取长补短、相互作用，弥补单相组元的缺点，改善基体金属的性能。
本发明中在碳化钨高强钢复合材料中添加镍可以促进复合材料的致密化，提高材料的相对密度，并能通过产生裂纹偏转和裂纹桥联提高复合材料的断裂韧性。镍的添加也增加了基体中的奥氏体区，提高复合材料的耐腐蚀性。
制备本发明的复合材料包含两种结合机理：一种为机械作用机制，通过挤压力作用使镍和碳化钨混合粉末1和高强钢芯2发生强烈的塑性变形，实现初步结合；第二种结合机理为扩散机制，在高温烧结过程中，扩散过程进行的较充分。
复合材料的挤压复合是通过热挤压实现的，在挤压复合后的冷却过程扩散不可避免，随着挤压温度的升高，扩散过程比较充分，界面的结合强度也得到了不同程度的提高。
挤压过程中需要加入少量润滑剂，润滑剂可以是添加有机硼化合物的矿物油，提高金属流动速度，防止产生组织、性能的不均匀性，降低挤压力。
采用大压力冷压成型能够促进粉末材料致密化，降低烧结温度、缩短烧结时间。

Claims (5)

1.微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料，其特征在于，按重量百分比计包含以下组分：碳化钨粉末：80％～90％、镍粉：10％～20％；以及高强钢芯。
2.根据权利要求1所述的微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料，其特征在于，所述碳化钨粉末的粒径为50～100nm，所述镍粉粒径为50～100nm。
3.采用如权利要求1或2所述的微钻头用添加镍的纳米级碳化钨复合材料制备微钻头的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将粒径为50～100nm的碳化钨粉末与粒径为50～100nm的镍粉采用机械混合法均匀混合在一起；
2)将制备好的镍和碳化钨混合粉末填入模具Ⅰ内，模具Ⅰ安装在压力机上；
3)打磨高强钢芯，将高强钢芯放置在压力机中心；
4)压力机加压使高强钢芯进入模具Ⅰ内，并处于模具Ⅰ中心位置；用1000～5000MPa的压力将混合金属粉末冷压成型；
5)将模具Ⅰ与主体模具安装连接，然后将装有镍和碳化钨混合粉末和高强钢芯的模具放入热压炉中，抽真空，真空度0.9～1.3×10-4Pa；先用激光加热器对模具Ⅰ部分进行加热烧结；在加热的同时对压头施加均衡压力，在挤压、烧结作用下使镍和碳化钨混合粉末与高强钢芯复合为一体，待温度达到1200～1300℃后，保温1～1.5h。
4.根据权利要求3所述的制备微钻头的方法，其特征在于，在上述步骤3)中，在打磨后的高强钢芯表面涂抹增塑剂和润滑剂。
5.根据权利要求4所述的制备微钻头的方法，其特征在于，所述的增塑剂为机油或石蜡，所述的润滑剂为矿物油。
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