CN109402480A - 一种WCoB金属陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

一种WCoB金属陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种WCoB金属陶瓷材料及其制备方法。所述材料采用钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉、钴粉与成型剂制备而得，材料具有硬度高，耐磨性好，工作温度高和韧性好的特点，能够满足苛刻的服役条件。本发明同时提供了所述材料的制备方法，包括将钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉与成型剂混合经球磨处理、干燥处理、压制成型、烧结即得，制备方法简单易行，条件温和，易于推广。

Description

一种WCoB金属陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属陶瓷材料领域，更具体地，涉及一种WCoB金属陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外，在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层，也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀。金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳。
WCoB金属陶瓷材料具有优异的综合性能，而且可在耐磨、高温腐蚀等领域进行应用。现有技术中通常采用二硼化钛作为硼源，与碳化钨和钴反应生成WCoB，得到的金属陶瓷材料含碳量高，物相复杂，导致WCoB金属陶瓷材料的硬度，抗弯强度，韧性等性能差，不稳定，严重限制了金属陶瓷材料的推广与应用。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是针对现有技术中WCoB金属陶瓷材料以及制备技术的不足，提供一种WCoB金属陶瓷材料，该材料由钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉、钴粉和成型剂制备而成，具有硬度高，耐磨性好，工作温度高和韧性好的优点。
本发明要解决的另一技术问题是提供所述WCoB金属陶瓷材料的制备方法，将钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉与成型剂混合经球磨处理、干燥处理、压制成型、烧结得到WCoB金属陶瓷材料。该制备方法原材料种类少，工艺设计合理，能大规模应用于工业生产。
本发明还要解决的另一技术问题是提供上述WCoB金属陶瓷材料制备方法制得的WCoB金属陶瓷材料。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种WCoB金属陶瓷材料，采用钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉、钴粉作为原材料和成型剂制备而得，按照原材料的总重量计，所述钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉所占百分比分别为：钨粉为60～75wt％，碳化硼粉为4～8wt％，碳化铬粉为1～3wt％，钴粉为20～30wt％。
优选地，钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉所占百分比分别为：钨粉为70～75wt％，碳化硼粉为4～8wt％，碳化铬粉为1～3wt％，钴粉为20～25wt％。
进一步地，成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇或橡胶汽油溶液中的任意一种。
进一步地，原材料与成型剂的质量比为1：(0.02～0.05)。
本发明还提供一种所述WCoB金属陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.取钨粉，碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉，与成型剂混合均匀，得混合料，将混合料与球磨介质放入球磨机中进行球磨，得球磨料；
S2.将步骤S1中制备的球磨料干燥处理；
S3.将步骤S2中干燥处理后的球磨料过筛；
S4.将步骤S3中处理好的球磨料压制成型，得坯体；
S5.将步骤S4中制备的坯体放入烧结炉，烧结冷却后，得WCoB金属陶瓷材料。
进一步地，步骤S1中球磨介质为无水乙醇、汽油、丙酮、乙烷、四氯化碳或苯中的一种；球磨机中采用的磨球为硬质合金球、钢球或钢玉球中的任意一种；球料比为(4～10)：1；步骤S1中球磨料的粒径≤1μm。
进一步地，步骤S2中干燥是采用鼓风干燥箱烘干球磨料，干燥温度为80～120℃，时间为12～48小时；步骤S3中所述筛网目数为50～150目。
进一步地，步骤S4中压制成型为模压成型或等静压成型，压力为100～300MPa。
进一步地，步骤S5中烧结为热压烧结、真空烧结、热等静压烧结或微波烧结中的任意一种；所述烧结过程条件如下：
第一阶段：在真空度为5～10Pa条件下以1～3℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；
第二阶段：在1400～1600℃条件下烧结30～120min；
第三阶段：随炉冷却至室温，得WCoB金属陶瓷材料。
本发明对压制成型的坯体进行分阶段烧结，其中第一阶段主要目的为脱脂，即除去球磨过程中添加的成型剂等物质，减少成品中杂质的残留，提高了产品的纯度，有利于保证产品质量。
一种根据上述方法制备的WCoB金属陶瓷材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明以钨、碳化硼、碳化铬、钴为原材料，经混合、球磨、烘干、筛选、成型、烧结后得到WCoB金属陶瓷材料，原材料种类少，制备工艺简单。
本发明以碳化硼作为硼源，与钨和钴反应生成WCoB三元硼化物，相对于以现有技术中以二硼化钛作为硼源制备WCoB，本发明所用原材料中的C元素含量低，产物物相相对单一，原材料成本低。
本发明制备的WCoB金属陶瓷材料具有硬度高，耐磨性好，工作温度高和韧性好的特点，能够满足苛刻的服役条件。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供一种WCoB金属陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：
S1.分别称取钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉，其质量分数比为60:7:3:30；将称好的原材料与成型剂液体石蜡混合均匀，原材料与成型剂的质量比为1:0.02，得混合料；将混合料与球磨介质无水乙醇放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为硬质合金球，球料比为4:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；
S2.将步骤S1中制备的球磨料放入鼓风干燥箱内，在80℃的条件下干燥12小时；
S3.将步骤S2中干燥好的球磨料过筛，筛网目数为50目；
S4.将步骤S3中处理好的球磨料模压成型，压力为100MPa，得坯体；
S5.将步骤S4中制备的坯体进行热压烧结，烧结过程如下：
第一阶段：在真空度为5Pa的条件下以1℃/min的升温速率升温至200℃，然后保温30min；
第二阶段：在1400℃条件下烧结30min；
第三阶段：自然冷却至室温，得WCoB金属陶瓷材料。
实施例2
本实施例提供一种WCoB金属陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：
S1.分别称取钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉，其质量分数比为75:4:1:20；将称好的原材料与成型剂硬脂酸锌混合均匀，原材料与成型剂的质量比为1:0.03，得混合料；将混合料与球磨介质汽油放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为硬质合金球，球料比为4:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；
S2.将步骤S1中制备的球磨料放入鼓风干燥箱内，在90℃的条件下干燥20小时；
S3.将步骤S2中干燥好的球磨料过筛，筛网目数为80目；
S4.将步骤S3中处理好的球磨料模压成型，压力为200MPa，得坯体；
S5.将步骤S4中制备的坯体进行热压烧结，烧结过程如下：
第一阶段：在真空度为6Pa的条件下以1℃/min的升温速率升温至250℃，然后保温30min；
第二阶段：在1440℃条件下烧结50min；
第三阶段：自然冷却至室温，得WCoB金属陶瓷材料。
实施例3
本实施例提供一种WCoB金属陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：
S1.分别称取钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉，其质量分数比为65:8:2:25；将称好的原材料与成型剂聚乙烯醇缩丁醛混合均匀，原材料与成型剂的质量比为1:0.04，得混合料；将混合料与球磨介质丙酮放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为钢球，球料比为6:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；
S2.将步骤S1中制备的球磨料放入鼓风干燥箱内，在100℃的条件下干燥30小时；
S3.将步骤S2中干燥好的球磨料过筛，筛网目数为100目；
S4.将步骤S3中处理好的球磨料等静压成型，压力为200MPa，得坯体；
S5.将步骤S4中制备的坯体进行热压烧结，烧结过程如下：
第一阶段：在真空度为6Pa的条件下以3℃/min的升温速率升温至280℃，然后保温45min；
第二阶段：在1500℃条件下烧结50min；
第三阶段：自然冷却至室温，得WCoB金属陶瓷材料。
实施例4
本实施例提供一种WCoB金属陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：
S1.分别称取钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉，其质量分数比为70:4:1:25；将称好的原材料与成型剂聚乙二醇混合均匀，原材料与成型剂的质量比为1:0.05，得混合料；将混合料与球磨介质乙烷放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为钢球，球料比为6:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；
S2.将步骤S1中制备的球磨料放入鼓风干燥箱内，在110℃的条件下干燥36小时；
S3.将步骤S2中干燥好的球磨料过筛，筛网目数为120目；
S4.将步骤S3中处理好的球磨料等静压成型，压力为260MPa，得坯体；
S5.将步骤S4中制备的坯体进行热等静压烧结，烧结过程如下：
第一阶段：在真空度为8Pa的条件下以3℃/min的升温速率升温至360℃，然后保温80min；
第二阶段：在1520℃条件下烧结75min；
第三阶段：自然冷却至室温，得WCoB金属陶瓷材料。
实施例5
本实施例提供一种WCoB金属陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：
S1.分别称取钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉，其质量分数比为72:6:2:20；将称好的原材料与成型剂橡胶汽油混合均匀，原材料与成型剂的质量比为1:0.05，得混合料；将混合料与球磨介质四氯化碳放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为钢玉球，球料比为8:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；
S2.将步骤S1中制备的球磨料放入鼓风干燥箱内，在120℃的条件下干燥48小时；
S3.将步骤S2中干燥好的球磨料过筛，筛网目数为140目；
S4.将步骤S3中处理好的球磨料等静压成型，压力为300MPa，得坯体；
S5.将步骤S4中制备的坯体进行微波烧结，烧结过程如下：
第一阶段：在真空度为10Pa的条件下以3℃/min的升温速率升温至400℃，然后保温120min；
第二阶段：在1600℃条件下烧结100min；
第三阶段：自然冷却至室温，得WCoB金属陶瓷材料。
对实施例1～5制备的WCoB金属陶瓷材料进行各项性能测试，结果如表1所示：
表1
相对密度(％) 硬度(HRA) 抗弯强度(MPa) 断裂韧性(MPa·m<sup>1/2</sup>)
实施例1 99.2～99.5 92.4～94.3 1834～2453 13.8～18.1
实施例2 99.2～99.7 93.1～94.2 1834～2453 13.4～17.3
实施例3 98.9～99.2 92.6～95.2 1785～2253 13.5～17.6
实施例4 98.7～99.3 92.7～94.2 1734～2353 12.9～18.3
实施例5 99.1～99.5 92.7～93.7 1834～2453 13.5～17.7

Claims (10)

1.一种WCoB金属陶瓷材料，其特征在于，采用钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉、钴粉作为原材料和成型剂制备而得，按照原材料的总重量计，所述钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉所占百分比分别为：钨粉为60～75wt%，碳化硼粉为4～8wt%，碳化铬粉为1～3wt%，钴粉为20～30wt% 。
2.根据权利要求1所述WCoB金属陶瓷材料，其特征在于，所述钨粉、碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉所占百分比分别为：钨粉为70~75wt%，碳化硼粉为4~8wt%，碳化铬粉为1~3wt%，钴粉为20~25wt% 。
3.根据权利要求1所述WCoB金属陶瓷材料，其特征在于，所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇或橡胶汽油溶液中的任意一种。
4.根据权利要求3所述WCoB金属陶瓷材料，其特征在于，所述原材料与成型剂的质量比为1：（0.02~0.05）。
5.一种权利要求1~4任一项所述WCoB金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.取钨粉，碳化硼粉、碳化铬粉和钴粉，与成型剂混合均匀，得混合料，将混合料与球磨介质放入球磨机中进行球磨，得球磨料；
S2.将步骤S1中制备的球磨料干燥处理；
S3.将步骤S2中干燥处理后的球磨料过筛；
S4.将步骤S3中处理好的球磨料压制成型，得坯体；
S5.将步骤S4中制备的坯体放入烧结炉，烧结冷却后，得WCoB金属陶瓷材料。
6.根据权利要求5所述的WCoB金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述球磨介质为无水乙醇、汽油、丙酮、乙烷、四氯化碳或苯中的一种；所述球磨机中采用的磨球为硬质合金球、钢球或钢玉球中的任意一种；球料比为（4~10）：1；步骤S1中球磨料的粒径≤1μm。
7.根据权利要求5所述的WCoB金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述干燥是采用鼓风干燥箱烘干球磨料，干燥温度为80~120℃，时间为12~48小时；步骤S3中所述筛网目数为50~150目。
8.根据权利要求5所述的WCoB金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述压制成型为模压成型或等静压成型，压力为100~300MPa。
9.根据权利要求5所述的WCoB金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述烧结为热压烧结、真空烧结、热等静压烧结或微波烧结中的任意一种；所述烧结过程条件如下：
第一阶段：在真空度为5~10Pa条件下以1～3℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；
第二阶段：在1400～1600℃条件下烧结30～120min；
第三阶段：随炉冷却至室温，得WCoB金属陶瓷材料。
10.一种权利要求5~9任一项所述制备方法制得的WCoB金属陶瓷材料。
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