CN109351979A

CN109351979A - 一种WCoB-B4C陶瓷基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN109351979A
Application number: CN201811435441.9A
Authority: CN
Inventors: 李克敏; 皇志富; 李烨飞; 张磊; 申宇鹏; 刘志伟; 李博; 郑巧玲
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-02-19
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: CN109351979B

Abstract

本发明公开了一种WCoB‑B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，将质量分数分别为65.6～69.1％的W粉，26.5～28.8％的Co粉，0.5％的C粉和4.0～5.2％的B粉进行配粉，然后对混合的粉末进行湿法球磨处理，对处理后的粉末进行干燥筛粉后压制成形，最后通过真空烧结制成WCoB‑B₄C陶瓷基复合材料。本发明制备工艺简单，所获得的WCoB‑B₄C陶瓷基复合材料具有硬度高、使用温度高且抗高温磨损性能好的特点。

Description

一种WCoB-B4C陶瓷基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于刀具材料技术领域，具体涉及一种WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

在机械加工领域，切削加工仍是零件最终形成的主要工艺手段。刀具材料的进步是切削加工技术的决定性因素之一。切削加工的主要发展方向之一是高速切削。高速切削时，随着切削速度的提高，切削力逐渐减小，切削温升逐渐趋缓，加工表面质量提高，加工成本降低。为实现切削加工的高速化，必须研究及开发与高速切削相适应的刀具材料。

目前常见的金属切削刀具有高速钢、硬质合金和陶瓷等。高速切削加工时，刀具的刀尖往往会因无法承受切削高温而发生烧蚀或急剧磨损。硬质合金刀具采用的多为WC-Co硬质合金，在温度高于800℃时，粘结相就会急剧软化，从而使刀具硬度迅速下降，难以承受高速切削产生的高温。然而，一种新型WCoB基金属陶瓷作为切削刀具使用时，与WC-Co材质相比，具有更高的耐高温损伤性能。

虽然WCoB基金属陶瓷具有良好的韧性、耐磨性和耐高温性能，物理化学性质稳定，可用作高速切削刀具材料，但是单一的WCoB基金属陶瓷密度大，制备过程中容易形成粗大晶粒，且脆性较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，本方法所制备的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料具有高的硬度、高的工作温度以及优异的抗高温磨损性。

本发明采用以下技术方案：

一种WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，将体积分数75～85％的WCoB-B₄C和体积分数25～15％粘结相Co混合制得混合粉末，WCoB/B₄C的体积比＝9:1，然后对混合粉末进行湿法球磨处理，对处理后的粉末进行干燥筛粉后压制成形，最后通过真空烧结制成WCoB-B₄C陶瓷基复合材料。

具体的，将质量百分数分别为65.6～69.1％的W粉、26.5～28.8％的Co粉、0.5％的C粉和4.0～5.2％的B粉进行混合配粉。

具体的，湿法球磨处理中，球磨时间为20～40h，球磨介质为无水乙醇。

进一步的，球料比为5：1，磨球为氮化硅球。

具体的，干燥处理的温度为60～70℃，保温时间为5～8h。

进一步的，干燥处理后，采用150～200目的筛网进行筛粉处理备用。

具体的，干燥筛粉处理后，将处理后的粉末填充到模具中压制成毛坯并保压5～10min。

进一步的，使用100～150MPa的压力将混合粉末压制成毛坯。

具体的，真空烧结的烧结温度为1800～2100℃，保温时间为1～3h，真空烧结的真空度10^-1Pa。

具体的，制备的所述WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的硬度为95～101HRA。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，采用W粉(纯度：99.99％，粒度：100目)、Co粉(纯度：99.9％，粒度：100目)、C粉(纯度：99.9％，粒度：200目)、B粉(纯度：99.99％，粒度：200目)作为原料，制备的金属复合材料宏观为95～101HRA，较单一WCoB基金属陶瓷的硬度提高10～19％。

进一步的，本发明金属陶瓷中B₄C相的密度低，较单一WCoB金属基陶瓷密度降低15～21％。

进一步的，本发明金属陶瓷中B₄C相的产生有助于抑制WCoB相的长大，细化了晶粒。

进一步的，本发明金属陶瓷的高温抗磨损性能好，较单一WCoB基金属陶瓷磨损失重降低14～23％。

进一步的，本发明中采用湿法球磨处理工艺，可降低生产能耗，所得粉料粒度范围相对较窄，粉料不会粘在磨球及筒体内衬上，且操作过程中无细尘飞扬，无严重环境污染。

进一步的，本发明中采用1800～2100℃的烧结温度，保温1～3h，可以保证原料充分反应，颗粒均匀生长。

进一步的，本发明中采用真空度10^-1Pa可避免烧结过程中原料的氧化，从而获得高纯的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料。

进一步的，WCoB-B₄C陶瓷基复合材料，组织中获得了密度低却硬度高的B₄C相，与WCoB相之间的生长存在一定的抑制作用，达到了细化晶粒的效果，且所得陶瓷相分布均匀，硬度为95～101HRA。

综上所述，本发明制备工艺简单，所获得的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料具有硬度高、使用温度高且抗高温磨损性能好的特点。

下面通过实施例和附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是制得的WCoB-B4C陶瓷基复合材料SEM照片。

具体实施方式

本发明提供了一种WCoB-B₄C陶瓷基复合材料制备方法，属陶瓷刀具材料领域，其原料组分加入量按WCoB-B₄C体积分数占75～85％(其中，WCoB/B₄C体积比＝9:1)和粘结相Co体积分数占25～15％来计算，进一步按各相化学式中原子比及各自原子量确定各组分的加入量，各组分质量百分数分别为：65.6～69.1％的W粉(纯度：99.99％，粒度：100目)，26.5～28.8％的Co粉(纯度：99.9％，粒度：100目)，0.5％的C粉(纯度：99.9％，粒度：200目)，4.0～5.2％的B粉(纯度：99.99％，粒度：200目)，制备所得的WCoB-B4C陶瓷基复合材料的硬度为95～101HRA。

本发明一种WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取W粉、Co粉、C粉和B粉进行配粉，其中，W粉的质量分数为65.6～69.1％，Co粉的质量分数为26.5～28.8％，C粉的质量分数为0.5％，B粉的质量分数为4.0～5.2％；

S2、将步骤S1制备的混合粉末放入球磨罐中进行球磨；

其中，球磨工艺参数为：在球磨机中湿磨20～40h，其中，球磨介质为无水乙醇，球料比为5:1，磨球为氮化硅球。

S3、步骤S2球磨完成后，将球磨后粉末放入真空干燥箱中干燥，在70℃保温8h，之后对干燥后的粉末过150～200目筛网；

S4、将混合粉末填充到模具中压制成毛坯并保压5～10min；

其中，使用100～150MPa的压力将混合粉末压制成毛坯。

S5、控制真空度10^-1Pa，将步骤S4制备的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，制成WCoB-B₄C陶瓷基复合材料。

其中，烧结时的烧结温度为1800～2100℃，保温时间为1～3h。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

选取典型的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的配方，其原料组分的质量分数为：68％的W粉(纯度：99.99％，粒度：100目)，27％的Co粉(纯度：99.9％，粒度：100目)，0.5％的C粉(纯度：99.9％，粒度：200目)，4.5％的B粉(纯度：99.99％，粒度：200目)；

(2)采用精度为0.1mg的电子天平称量各粉末，并放入球磨罐中进行球磨，湿磨20h，球磨介质为无水乙醇，球料比为5:1；

(3)将球磨后粉末放入真空干燥箱中干燥，在60℃保温8h，之后对干燥后的粉末过150目筛网；

(4)将混合粉末填充到模具中压制成形，压制压力为150MPa，保压5min；

(5)将压坯放入10^-1Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1800℃，保温时间为3h。

下面对本例的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料进行组织结构分析与性能测试，说明其性能的优越性。

1、制备材料密度测试

采用排水法测得WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的密度比单一的WCoB基金属陶瓷密度降低约21％。

2、宏观硬度测试

测试WCoB-B₄C陶瓷基复合材料硬度为95HRA，相较于单一的WCoB基金属陶瓷硬度值提高10％。

3、高温磨损性能分析

在900℃高温下对WCoB-B₄C基金属陶瓷对进行磨损试验，平均磨损失重单一WCoB基金属陶瓷的磨损失重减小约14％。

实施例2

(1)选取典型的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的配方，其原料组分的质量分数为：68％的W粉(纯度：99.99％，粒度：100目)，27％的Co粉(纯度：99.9％，粒度：100目)，0.5％的C粉(纯度：99.9％，粒度：200目)，4.5％的B粉(纯度：99.99％，粒度：200目)；

(2)采用精度为0.1mg的电子天平称量各粉末，并放入球磨罐中进行球磨，湿磨40h，球磨介质为无水乙醇，球料比为5:1；

(3)将球磨后粉末放入真空干燥箱中干燥，在70℃保温8h，之后对干燥后的粉末过180目筛网；

(4)将混合粉末填充到模具中压制成形，压制压力为100MPa，保压10min；

(5)将压坯放入10-1Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为2000℃，保温时间为1h。

下面对本例的WCoB-B4C陶瓷基复合材料进行组织结构分析与性能测试，说明其性能的优越性。

1、制备材料密度测试

采用排水法测得WCoB-B4C陶瓷基复合材料的密度比单一的WCoB基金属陶瓷密度降低约17％。

2、宏观硬度测试

测试WCoB-B₄C陶瓷基复合材料硬度为98HRA，相较于单一的WCoB基金属陶瓷硬度值明显约约16％。

3、高温磨损性能分析

在900℃高温下对WCoB-B₄C陶瓷基复合材料进行磨损试验，平均磨损失重单一WCoB基金属陶瓷的磨损失重减小约19％。

实施例3

(2)采用精度为0.1mg的电子天平称量各粉末，并放入球磨罐中进行球磨，湿磨30h，球磨介质为无水乙醇，球料比为5:1；

(3)将球磨后粉末放入真空干燥箱中干燥，在70℃保温5h，之后对干燥后的粉末过200目筛网；

(5)将压坯放入10^-1Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为2100℃，保温时间为5h。

1、制备材料密度测试

采用排水法测得WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的密度比单一的WCoB基金属陶瓷密度降低约15％。

2、宏观硬度测试

测试WCoB-B₄C陶瓷基复合材料硬度为101HRA，相较于单一的WCoB基金属陶瓷硬度值提高约19％。

3、高温磨损性能测试

在900℃高温下对WCoB-B₄C陶瓷基复合材料进行磨损试验，平均磨损失重较单一的WCoB基金属陶瓷的磨损失重减小约23％。

由对比实施例可以看出，本发明技术保护的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料密度较单一的WCoB基金属陶瓷有明显降低(最高可降低约21％)，且前者的宏观硬度和高温磨损失重均较后者分别明显提高(最高可提高约19％)和降低(最高可降低约23％)。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，将体积分数75～85％的WCoB-B₄C和体积分数25～15％粘结相Co混合制得混合粉末，WCoB/B₄C的体积比＝9:1，然后对混合粉末进行湿法球磨处理，对处理后的粉末进行干燥筛粉后压制成形，最后通过真空烧结制成WCoB-B₄C陶瓷基复合材料。

2.根据权利要求1所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，将质量百分数分别为65.6～69.1％的W粉、26.5～28.8％的Co粉、0.5％的C粉和4.0～5.2％的B粉进行混合配粉。

3.根据权利要求1所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，湿法球磨处理中，球磨时间为20～40h，球磨介质为无水乙醇。

4.根据权利要求3所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，球料比为5：1，磨球为氮化硅球。

5.根据权利要求1所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，干燥处理的温度为60～70℃，保温时间为5～8h。

6.根据权利要求5所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，干燥处理后，采用150～200目的筛网进行筛粉处理备用。

7.根据权利要求1所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，干燥筛粉处理后，将粉末填充到模具中压制成毛坯并保压5～10min。

8.根据权利要求7所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，使用100～150MPa的压力将混合粉末压制成毛坯。

9.根据权利要求1所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，真空烧结的烧结温度为1800～2100℃，保温时间为1～3h，真空烧结的真空度10^-1Pa。

10.根据权利要求1所述的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，制备的WCoB-B₄C陶瓷基复合材料的硬度为95～101HRA。