CN110257658A - 一种多元wc基复合材料的合成及应用 - Google Patents

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Abstract

一种多元WC基复合材料的合成及应用，其特征包括以下步骤：a、按质量百分比取纳米氧化钨、纳米氧化钴、纳米氧化钒、纳米氧化铬、纳米还原剂碳黑与多壁碳纳米管，经混合、干燥后，置于微波烧结炉中进行碳热还原，制得多元WC基复合材料。b、将步骤a所得复合材料加入少量液体石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结设备进行烧结，最终制得多元WC基硬质合金。该硬质合金致密度提高6‑22%，硬度（HRA）提高10‑20%，抗弯强度提高40‑90%。本发明具有生产效率高、能耗低、操作简便，为工业生产性能优异的硬质合金产品提供参考。

Description

一种多元WC基复合材料的合成及应用
技术领域
本发明涉及一种多元WC基复合材料的合成及应用，属于纳米金属陶瓷复合粉体制备技术与应用领域。
背景技术
WC基硬质合金具有优异的耐热性、耐腐蚀性、高硬度和耐磨性，被广泛应用于刀具材料。该类合金材料通常以WC为硬质相，以Co为粘结相，通过粉末冶金方法合成。WC基硬质合金相较于高速钢，具有较高的硬度、耐磨性和红硬 性；相较于超硬材料，具有较高的韧性。此外，WC基硬质合金也可以用来制造钻头、齿轮刀具、铰刀等复杂刀具。其中，超细及纳米晶WC基硬质合金相对于普通WC基硬质合金的抗弯强度明显提高、硬度增大、耐磨性提高、刀具耐用度提高3~10倍。同时，硬质合金的抗热震性和抗氧化性改善显著，达到完全致密化所需的温度也进一步降低。超细晶硬质合金由于与加工材料的相互吸附–扩散作用小，在难加工材料、微电子工业、精密模具、医学等领域也得到了广泛的应用。因此，超细及纳米晶WC基硬质合金已成为当今硬质合金行业的发展热点之一。
随着现代工业行业技术的快速发展，对硬质合金的性能要求也越来越高，硬质合金中WC的晶粒尺寸越小，合金的综合力学性能越高。碳纳米管一维纳米材料，质量轻，有许多优异的力学性能，具有极高的强度、韧性及弹性模量。将碳纳米管作为增强相掺杂于多元WC基复合粉末中，应用碳纳米管的强韧性，加之纳米材料的优异性能，使硬质合金的强度显著提高。通过应用碳纳米管达到细化WC硬质合金晶粒的作用，同时协同碳纳米管本身的强度和纤维结构的拔出、桥接及引导裂纹弯曲、偏转等机制来提高WC基硬质合金的强度。此外，采用放电等离子烧结工艺，进一步有效抑制WC晶粒的长大，且降低烧结温度与烧结时间，提高生产效率，减少能耗，最终获得致密度高、晶粒细小、组织均匀、综合力学性能优异的多元WC基硬质合金产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多元WC基复合材料的合成及应用，以便更好的满足WC基复合材料在超细/纳米硬质合金的制造以及刀具领域的应用。本发明采用的碳热还原法，该方法所需设备简单，反应原料价格低廉，制备过程简便、生产效率高、能耗低，保证合成的多元WC基复合材料在粒度、分散性、颗粒形状等方面满足工业需求。
本发明的多元WC基纳米复合材料的合成方法包括以下步骤：
a、按质量百分比取纳米氧化钨、纳米氧化钴、纳米氧化钒、纳米氧化铬、纳米还原剂碳黑与多壁碳纳米管，经混合、干燥后，置于微波烧结炉中进行碳热还原，制得多元WC基复合材料。
b、将步骤a所得复合材料加入少量液体石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结设备进行烧结，最终制得多元WC基硬质合金。该硬质合金致密度提高6-22%，硬度（HRA）提高10-20%，抗弯强度提高40-90%。
本发明所述制备多元WC基复合材料的原料质量百分比分别为：纳米氧化钨70-76%，纳米氧化钴7-8%，纳米氧化钒0.3-0.4%，纳米氧化铬0.3-0.4%，纳米碳黑16-21%，多壁碳纳米管0.2-0.4%。
本发明所述的制备多元WC基复合材料的方法中，制备复合材料的微波烧结工艺在流动的惰性气体保护下进行，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为0.5-2h。
本发明所述的制备多元WC基复合材料的方法中，混合是在高能球磨机、滚动球磨机或研磨机中任意一种设备中进行。
本发明所述的制备多元WC基复合材料的方法中，球磨后干燥温度为50-80℃，干燥时间为16-30h。
本发明所述的制备多元WC基硬质合金的烧结在真空或在惰性气体保护条件下进行，升温速率为50-350℃/min，温度为1100-1400℃。
与现有的超细硬质合金制备方法相比，本发明的优点在于：
（1）有效抑制WC晶粒的长大。多壁碳纳米管作为新型增强材料，其本身具有的优异力学性能，将其掺杂到多元WC基复合粉末中，达到细化WC硬质合金晶粒的作用，同时协同碳纳米管本身的强度和纤维结构的拔出、桥接及引导裂纹弯曲、偏转等机制来提高WC基硬质合金的强度。
（2）烧结温度低，时间短，效率高，能耗低。以纳米碳黑、纳米氧化物、多壁碳纳米管为原料，采用微波碳热还原法制备多元WC基复合材料，再结合放电等离子烧结得到多元WC基硬质合金。本合成方法可以大幅度降低反应温度，缩短反应时间，提高生产效率，有效节约能源。
具体实施方式
实施例1：
按质量百分比取纳米氧化钨70%，纳米氧化钴8%，纳米氧化钒0.3%，纳米氧化铬0.3%，纳米碳黑21%，多壁碳纳米管0.4%，经均匀混合（高能球磨机）、干燥（干燥温度为50℃，干燥时间为30h）后，置于微波烧结炉内进行碳热还原，得到多元WC基复合材料。再加入少量石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结设备进行烧结（升温速率为50-350℃/min，温度为1100-1400℃，真空），制得晶粒细小、组织均匀的WC基硬质合金。该硬质合金致密度提高6-22%，硬度（HRA）提高10-20%，抗弯强度提高40-90%。
实施例2：
按质量百分比取纳米氧化钨76%，纳米氧化钴7%，纳米氧化钒0.4%，纳米氧化铬0.4%，纳米碳黑16%，多壁碳纳米管0.2%，经均匀混合（滚动球磨机）、干燥（干燥温度为80℃，干燥时间为16h）后，置于微波烧结炉内进行碳热还原，得到多元WC基复合材料。再加入少量石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结（升温速率为50-350℃/min，温度为1100-1400℃，Ar气），制得晶粒细小、组织均匀的WC基硬质合金。该硬质合金致密度提高6-22%，硬度（HRA）提高10-20%，抗弯强度提高40-90%。
实施例3：
按质量百分比取纳米氧化钨72%，纳米氧化钴7.5%，纳米氧化钒0.35%，纳米氧化铬0.35%，纳米碳黑19.5%，多壁碳纳米管0.3%，经均匀混合（研磨机）、干燥（干燥温度为60℃，干燥时间为24h）后，置于微波烧结炉内进行碳热还原，得到多元WC基复合材料。再加入少量石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结（升温速率为50-350℃/min，温度为1100-1400℃，真空），制得晶粒细小、组织均匀的WC基硬质合金。该硬质合金致密度提高6-22%，硬度（HRA）提高10-20%，抗弯强度提高40-90%。
实施例4：
按质量百分比取纳米氧化钨74%，纳米氧化钴7%，纳米氧化钒0.3%，纳米氧化铬0.3%，纳米碳黑18%，多壁碳纳米管0.4%，经均匀混合（高能球磨机）、干燥（干燥温度为70℃，干燥时间为20h）后，置于微波烧结炉内进行碳热还原，得到多元WC基复合材料。再加入少量石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结（升温速率为50-350℃/min，温度为1100-1400℃，Ar气），制得晶粒细小、组织均匀的WC基硬质合金。该硬质合金致密度提高6-22%，硬度（HRA）提高10-20%，抗弯强度提高40-90%。

Claims (6)

1.一种多元WC基复合材料的合成及应用，其特征在于：所述合成方法包括以下步骤：
a.按质量百分比取纳米氧化钨、纳米氧化钴、纳米氧化钒、纳米氧化铬、纳米还原剂碳黑与多壁碳纳米管，经混合、干燥后，置于微波烧结炉中进行碳热还原，制得多元WC基复合材料；
b.将步骤a所得复合材料加入少量液体石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结设备进行烧结，最终制得多元WC基硬质合金；该硬质合金致密度提高6-22%，硬度（HRA）提高10-20%，抗弯强度提高40-90%。
2.根据权利要求1所述制备多元WC基复合材料的原料质量百分比分别为：纳米氧化钨70-76%，纳米氧化钴7-8%，纳米氧化钒0.3-0.4%，纳米氧化铬0.3-0.4%，纳米碳黑16-21%，多壁碳纳米管0.2-0.4%。
3.根据权利要求1所述制备多元WC基复合材料的方法中，制备复合材料的微波烧结工艺在流动的惰性气体保护下进行，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为0.5-2h。
4.根据权利要求1所述制备多元WC基复合材料的方法中，混合是在高能球磨机、滚动球磨机或研磨机中任意一种设备中进行。
5.根据权利要求1所述制备多元WC基复合材料的方法中，球磨后干燥温度为50-80℃，干燥时间为16-30h。
6.根据权利要求1所述制备多元WC基硬质合金的烧结在真空或在惰性气体保护条件下进行，升温速率为50-350℃/min，温度为1100-1400℃。
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