CN109652714A - 一种含石墨烯的WC-6Co硬质合金 - Google Patents

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Abstract

为了改善WC‑Co硬质合金硬质合金的硬度、耐磨性，研制了一种含石墨烯的WC‑6Co硬质合金。采用WC粉末、Co粉末及石墨烯粉末为原料，石墨烯的添加能够增强硬质合金刀具的力学性能，随着石墨烯含量的增加，硬质合金刀具的力学性能也随之增大，但石墨烯的添加量达到一定时，硬质合金刀具的力学性能反而开始下降。能够制备出具有最优力学性能的硬质合金刀具，其石墨烯的添加量为3.5%。所制得的含石墨烯的WC‑6Co硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC‑Co硬质合金提供一种新的生产工艺。

Description

一种含石墨烯的WC-6Co硬质合金
所属技术领域
本发明涉及一种硬质合金材料，尤其涉及一种含石墨烯的WC-6Co硬质合金。
背景技术
WC-Co硬质合金具有优良的硬度、抗弯强度和断韧性的组合，使其在切削刀具和耐磨零部件等领域具有广泛的应用。综合性能良好的硬质合金，必须具有两相均匀结构(WC+γ)，其中γ相为粘结相，是由W、C与Co组成的固溶体，对硬质合金的强度和韧性起着关键性的作用。硬质合金的碳含量影响烧结过程中的液相量，碳含量过高或过低，都会在其正常两相结构中生成第三相石墨相或脱碳相。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈-盖姆和康斯坦丁-诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
发明内容
本发明的目的是为了改善WC-Co硬质合金硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种含石墨烯的WC-6Co硬质合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
含石墨烯的WC-6Co硬质合金的制备原料包括：粒径为20μm的WC粉末、粒径为3-5μm的Co粉末，平均厚度＜3nm、片层尺寸为1-5μm的石墨烯粉末。
含石墨烯的WC-6Co硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入预热炉中进行预热，预热时间为30min，预热温度为110℃，然后加至球磨罐中进行湿磨，球料比为6：1，球磨时间为24h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入石蜡作为成形剂进行制粒。将制好的粉末进行冷等静压压制成形，压制压力为230MPa，保压时间为120s。将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为12500℃，保温时间为120min。
含石墨烯的WC-6Co硬质合金的检测步骤为：物相组成分析采用Rigaku-3014型X射线衍射仪，显微组织观察采用JSM6510型扫描电子显微镜，硬度测试采用HV-1000型维氏硬度计，断裂强度测试采用MTS810型力学性能测试机，断口形貌采用JSM6510型扫描电子显微镜，耐磨损性能采用高温摩擦磨损试验机，磨损表面形貌采用JX-5型金相显微镜。
所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，石墨烯的添加能够有效的抑制硬质合金内部晶粒的长大，制备硬质合金采用的预热球磨及热压烧结的工艺能够保证硬质合金的制备过程可以平稳高效的进行，保证硬质合金具有晶粒尺寸均匀、结构完整的结构。
所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，其物相组成为WC、Co和石墨烯组成，石墨烯的添加能够具备出力学性能和耐磨性能极佳的硬质合金刀具材料，所制备的硬质合金刀具，其表面HV硬度为3157，横向断裂强度为3418MPa。
所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，其力学性能与普通WC-6Co硬质合金刀具材料相比，横向断裂强度提高了178%，磨损体积则减小81.64%。
所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，石墨烯的添加能够增强硬质合金刀具的力学性能，随着石墨烯含量的增加，硬质合金刀具的力学性能也随之增大，但石墨烯的添加量达到一定时，硬质合金刀具的力学性能反而开始下降。能够制备出具有最优力学性能的硬质合金刀具，其石墨烯的添加量为3.8.13%。
本发明的有益效果是：
采用WC粉末、Co粉末及石墨烯粉末为原料，经过配料、预热、球磨、干燥、制粒、冷等静压成形、热压烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的含石墨烯的WC-6Co硬质合金。其中，石墨烯的添加能够抑制晶粒在烧结过程中的长大，提升硬质合金刀具的力学性能。制得的硬质合金刀具性能较比未添加石墨烯的硬质合金刀具断裂强度提高178%，磨损体积减小81.64%。最佳的石墨烯添加量为3.8.13%。所制得的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC-Co硬质合金提供一种新的生产工艺。
具体实施方式
实施案例1：
含石墨烯的WC-6Co硬质合金的制备原料包括：粒径为20μm的WC粉末、粒径为3-5μm的Co粉末，平均厚度＜3nm、片层尺寸为1-5μm的石墨烯粉末。含石墨烯的WC-6Co硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入预热炉中进行预热，预热时间为30min，预热温度为110℃，然后加至球磨罐中进行湿磨，球料比为6：1，球磨时间为24h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入石蜡作为成形剂进行制粒。将制好的粉末进行冷等静压压制成形，压制压力为230MPa，保压时间为120s。将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为12500℃，保温时间为120min。含石墨烯的WC-6Co硬质合金的检测步骤为：物相组成分析采用Rigaku-3014型X射线衍射仪，显微组织观察采用JSM6510型扫描电子显微镜，硬度测试采用HV-1000型维氏硬度计，断裂强度测试采用MTS810型力学性能测试机，断口形貌采用JSM6510型扫描电子显微镜，耐磨损性能采用高温摩擦磨损试验机，磨损表面形貌采用JX-5型金相显微镜。
实施案例2：
制备的新型硬质合金刀具材料是由WC、Co和石墨烯组成，随着石墨烯含量的增加，石墨烯的特征衍射峰增强。试样在热压烧结过程中没有出现恶化试样力学性能的Co6W6C、Co3W3C、Co2W4C等其他物相，确保了制备的新型硬质合金刀具材料具有较佳的性能。分步真空球磨+热压烧结法制备的新型硬质合金刀具材料中WC相为均匀细小的等轴晶，无明显的粗大晶粒或聚集晶粒；Co较为均匀地分布在WC相周围，无明显的Co池分布。当石墨烯含量为0.31%和1.64%时，石墨烯较均匀地分布在基体中；当石墨烯含量高达8.13%时，石墨烯出现较为明显的团聚，这可能导致新型硬质合金刀具材料性能的恶化。
实施案例3：
随着石墨烯含量的增加，新型硬质合金刀具材料试样的平均硬度先提高后下降。当石墨烯含量为1.64%时，新型硬质合金刀具材料的表面平均HV硬度达到3157，较0.31%石墨烯试样提高了28.13%；较8.13%石墨烯试样提高了30%。此外，当石墨烯含量为0.31%和1.64%时，新型硬质合金刀具材料试样在不同位置处的表面硬度差异较小，较为均匀；但当石墨烯含量为8.13%时，新型硬质合金刀具材料试样在不同位置处的表面硬度差异较大，五个不同位置处的表面HV硬度差异高达1245。当石墨烯含量为8.13%时，新型硬质合金刀具材料内部发生了明显的石墨烯团聚，导致材料内部成分不均匀，从而引起不同位置处表面硬度差异较大。
实施案例4：
横向断裂强度是刀具材料的重要力学性能指标之一。分步真空球磨+热压烧结法制备出的新型硬质合金刀具材料试样横向断裂强度与商业WC-6Co硬质合金刀具材料相比，含石墨烯的新型硬质合金刀具材料试样的横向断裂强度得到明显提高。此外，随着石墨烯含量的增加，新型硬质合金刀具材料的横向断裂强度呈现出先提高后降低的变化趋势。当石墨烯添加量为1.64%时，新型硬质合金刀具材料的横向断裂强度最大，较商业WC-6Co硬质合金刀具材料提高了215%。在常规WC-6Co硬质合金刀具材料中添加石墨烯，经过分步真空球磨、热压烧结的过程，石墨烯的高硬度、高韧性作用得到充分发挥，使得制备的新型硬质合金刀具材料具有比较高的横向断裂强度；但当石墨烯添加含量过少时，难以发挥石墨烯的作用；当石墨烯添加含量过多时，由于石墨烯发生了明显的团聚，导致新型硬质合金刀具材料内部成分不均匀，使得新型硬质合金刀具材料的力学性能非但没有继续提高，反而较添加1.64%石墨烯时有所下降。因此，从提高新型硬质合金刀具材料力学性能的角度出发，石墨烯含量选取为1.64%为宜。
实施案例5：
分步真空球磨+热压烧结法制备出的新型硬质合金刀具材料试样具有更小的磨损体积，其耐磨损性能得到显著提高。随石墨烯含量的增加，新型硬质合金刀具材料的磨损体积呈现出先减小后增大的变化趋势，即新型硬质合金刀具材料的耐磨损性能先提高后下降。当石墨烯添加量为1.64%时，新型硬质合金刀具材料的磨损体积值最小，较商业WC-6Co硬质合金刀具材料减小了98%。在常规WC-6Co硬质合金刀具材料中添加石墨烯，经过分步真空球磨+热压烧结法充分发挥了石墨烯的高耐磨损性作用，使得制备的新型硬质合金刀具材料具有极佳的耐磨损性能。但当石墨烯添加含量过少时，石墨烯的作用难以发挥；当石墨烯添加含量过多时，由于石墨烯发生了明显的团聚，导致新型硬质合金刀具材料内部成分不均匀，使得新型硬质合金刀具材料的耐磨损性能非但没有继续提高，反而较添加1.64%石墨烯时有所下降。
实施案例6：
商业WC-6Co硬质合金刀具材料在摩擦磨损试验后其表面脱皮和蚀坑较多，磨损情况较为严重。添加石墨烯的新型硬质合金刀具材料在摩擦磨损试验后表面无明显的脱皮或蚀坑，仅有磨痕，磨损情况明显减轻。此外，随石墨烯含量的增加，新型硬质合金刀具材料在摩擦磨损试验后表面的磨痕先由深变浅后再变深，即材料的磨损情况先减轻后加重。这与试样的磨损体积测试结果一致。综上，从提高新型硬质合金刀具材料的耐磨损性能出发，石墨烯含量优选为1.64%。

Claims (4)

1.一种含石墨烯的WC-6Co硬质合金的制备原料包括：粒径为20μm的WC粉末、粒径为3-5μm的Co粉末，平均厚度＜3nm、片层尺寸为1-5μm的石墨烯粉末。
2.根据权利要求1所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，其特征是含石墨烯的WC-6Co硬质合金的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入预热炉中进行预热，预热时间为30min，预热温度为110℃，然后加至球磨罐中进行湿磨，球料比为6：1，球磨时间为24h，球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入石蜡作为成形剂进行制粒，将制好的粉末进行冷等静压压制成形，压制压力为230MPa，保压时间为120s，将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为12500℃，保温时间为120min。
3.根据权利要求1所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，其特征是含石墨烯的WC-6Co硬质合金的检测步骤为：物相组成分析采用Rigaku-3014型X射线衍射仪，显微组织观察采用JSM6510型扫描电子显微镜，硬度测试采用HV-1000型维氏硬度计，断裂强度测试采用MTS810型力学性能测试机，断口形貌采用JSM6510型扫描电子显微镜，耐磨损性能采用高温摩擦磨损试验机，磨损表面形貌采用JX-5型金相显微镜。
4.根据权利要求1所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，其特征是所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，石墨烯的添加能够有效的抑制硬质合金内部晶粒的长大，制备硬质合金采用的预热球磨及热压烧结的工艺能够保证硬质合金的制备过程可以平稳高效的进行，保证硬质合金具有晶粒尺寸均匀、结构完整的结构，所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，其物相组成为WC、Co和石墨烯组成，石墨烯的添加能够具备出力学性能和耐磨性能极佳的硬质合金刀具材料，所制备的硬质合金刀具，其表面HV硬度为2842，横向断裂强度为3418MPa，所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，其力学性能与普通WC-6Co硬质合金刀具材料相比，横向断裂强度提高了178%，磨损体积则减小82%，所述的含石墨烯的WC-6Co硬质合金，石墨烯的添加能够增强硬质合金刀具的力学性能，随着石墨烯含量的增加，硬质合金刀具的力学性能也随之增大，但石墨烯的添加量达到一定时，硬质合金刀具的力学性能反而开始下降，能够制备出具有最优力学性能的硬质合金刀具，其石墨烯的添加量为3.5%。
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