CN110484797A - 一种耐磨高强度硬质合金及其制备方法 - Google Patents
一种耐磨高强度硬质合金及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种耐磨高强度硬质合金及其制备方法，属于金属冶金技术领域。本发明首先以膨胀石墨为模板，通过金属混合盐电镀法在膨胀石墨表面电镀一层混合金属层，电镀后烧结，使得膨胀石墨模板烧结去除，从而得到类膨胀石墨结构的混合金属粉末，本发明还以稻壳为原料，首先通过微生物发酵使得稻壳微腐产生丰富的孔隙，再将钨酸和氨水混合溶解后浸渍微腐稻壳，使得钨酸和稻壳复合，并在还原气体的作用下，原位炭化还原制得具有稻壳遗态结构的多孔粗糙碳化钨硬质料，最后将自制抗磨料和自制硬质料以及粘结金属混合压制并烧结，最终制得耐磨高强度硬质合金，本发明制备的耐磨高强度硬质合金具有极佳的耐磨性和机械强度，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨高强度硬质合金及其制备方法，属于金属冶金技术领域。
背景技术
硬质合金是以一种或多种高硬度、高熔点的金属碳化物（碳化钨、碳化钛等）为基体，以钴、镍等金属或其合金为粘结相，采用粉末冶金方法合成的金属陶瓷材料，是粉末冶金制备的最典型的合金材料之一。
从成分上来看，硬质合金是由硬质相和粘结相两相混合而成。粘结相一般采用塑性、韧性良好的金属，而硬质相则使用高硬度、高强度的。从结构上来分析，粘结相分布于不同硬质相晶粒之间，形成包覆结构，起着粘结硬质相的作用。正因为这种特殊的复合结构，使得硬质合金不但具有陶瓷材料的高硬度、高耐磨性以及良好的红硬性，同时具有金属材料的较好的强度和韧性，比如硬度可达到1600HV，而断裂韧性达到14MPa·m1/2，因而被广泛应用于现代工业，并享有“工业的牙齿”之美称。
纳米复合技术和材料的发展有效地解决了传统硬质合金强度与硬度之间的矛盾，对硬质合金的物理、力学、摩擦学性能都有很大的改善，使硬质合金实现“双高”的特性（高硬度和高韧性），甚至是在高温环境下。因而纳米和超细硬质合金被广泛应用于微型钻头，打印机打印针头，切削工具，精密工模具，耐磨蚀零件和结构部件，军工武器以及凿岩、钻探工具等方面。适应了日益发展的产业、电子技术、航天军工等领域的需求。
但是目前常见的硬质合金仍然存在着耐磨性比较差，并且机械强度偏低的缺陷，因此，发明一种耐磨高强度的硬质合金对本领域具有积极的意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对目前常见的硬质合金仍然存在着耐磨性比较差，并且机械强度偏低的缺陷，提供了一种耐磨高强度硬质合金及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本申请所采用的技术方案是：
一种耐磨高强度硬质合金，其特征在于具体制备步骤为：
称取自制硬质料、自制抗磨料、钴粉、镍粉和钼粉混合后放入球磨罐中球磨混合20～30min，将得到球磨产物倒入模具中，用液压机以8～10MPa的压力压制成型，并放入真空烧结炉中，加热升温至1450～1500℃，保温烧结1～2h后出料，即得耐磨高强度硬质合金；
所述自制硬质料的制备步骤为：
（1）将稻壳和浓度为107cfu/mL枯草芽孢杆菌菌悬液按等质量比混合后装入发酵罐中，并将发酵罐放入发酵室中，静置发酵处理2～3周，发酵结束后过滤分离得到发酵滤渣；通过发酵对稻壳进行微腐，使其具有多孔结构；
（2）将上述得到发酵滤渣和钨酸以及质量分数为10%的氨水混合后放入超声振荡仪中，以25～35kHz的频率超声振荡浸渍1～2h，超声振荡浸渍结束后得到浸渍产物；使得钨酸充入浸入发酵滤渣的孔隙中；
（3）将上述得到的浸渍产物放入高温烧结炉中，在等体积比的一氧化碳和氢气的保护气体条件下，保温烧结处理，烧结处理结束后得到烧结产物，研磨后过100目筛，得到自制硬质料；通过烧结得到具有稻壳遗留态结构的碳化钨硬质料；
所述自制抗磨料的制备步骤为：
（1）称取可膨胀石墨放入烘箱中，在105～110℃下干燥8～10h，将干燥后的可膨胀石墨放入微波反应器中，处理40～45s后自然冷却至室温，并反复微波处理加热膨胀3～5次，得到膨胀石墨；通过膨胀得到层间增大的石墨；
（2）将氯化镍、氯化铝和氯化钾混合得到混合盐，将混合盐加热升温至150～160℃，待混合盐熔化后装入电解槽中，以铝片为正极，以上述膨胀石墨为负极，保持两级之间距离为40mm，电镀4～5h后，取下电镀后的负极，即为复合膨胀石墨；通过电镀向石墨表面镀上金属镀层；
（3）将上述得到的复合膨胀石墨放入烧结炉中，加热升温至700～800℃，保温烧结处理3～5h，烧结结束后，待自然冷却至室温，取出烧结产物并用无水乙醇反复冲洗3～5遍，自然晾干后粉碎过200目筛，即得自制抗磨填料。通过烧结去除石墨模板，得到具有石墨结构的自制抗磨填料；
所述耐磨高强度硬质合金的具体制备步骤中，按重量份数计，自制硬质料为50～60份、自制抗磨料为8～10份、钴粉为10～12份、镍粉为10～15份、钼粉为10～13份。
所述自制硬质料的制备步骤（1）中，发酵室的空气相对湿度为60～70%，温度为40～50℃。
所述自制硬质料的制备步骤（2）中，发酵滤渣和钨酸以及质量分数为10%的氨水的质量比为1:1:10。
所述自制硬质料的制备步骤（3）中，保温烧结处理的温度为700～800℃，保温烧结处理的时间为2～3h。
所述自制抗磨料的制备步骤（1）中，微波反应器处理的功率为900～1000W。
所述自制抗磨料的制备步骤（2）中，氯化镍、氯化铝和氯化钾的质量比为8:1:1。
所述自制抗磨料的制备步骤（2）中，电镀的电流密度为1.06A/dm2。
本发明的有益技术效果是：
（1）本发明首先以膨胀石墨为模板，通过金属混合盐电镀法在膨胀石墨表面电镀一层混合金属层，再将电镀后的膨胀石墨放入烧结炉中烧结，使得膨胀石墨模板烧结去除，从而得到具有类膨胀石墨结构的中空层状混合金属粉末，用此作为自制抗磨料添加进硬质合金中，由此制成的硬质合金由于自制抗磨粉末的存在，由于类膨胀石墨结构的中空层状混合金属粉末在摩擦状态下，能沿着金属粉末层间滑移，并沿着摩擦方向定向移动，从而减少硬质合金材料内能的消耗，减少硬质合金材料的磨损，中空结构可以避免反复的体积变化造成硬质合金结构发生破坏，从而提高了硬质合金材料的耐磨性能；
（2）本发明还以稻壳为原料，首先通过微生物发酵使得稻壳微腐产生丰富的孔隙，再将钨酸和氨水混合溶解后浸渍微腐稻壳，使得钨酸和稻壳复合，并在还原气体的作用下，原位炭化还原制得具有稻壳遗态结构的多孔粗糙碳化钨硬质料，由于本申请自制碳化钨具有稻壳的遗态结构，因此表面多孔粗糙，用其作为硬质填料可以增加硬质合金和接触面的垂直方向的摩擦应力，使得硬质合金耐磨性提高，此外由于本发明分别选用了100目的自制硬质料和200目的自制抗磨料，两者粒径的差别可以最大限度减少两者之间的孔隙度，使得两者接触更紧密，有利于硬质合金材料密实度的提高，在粘结金属成分的作用下，使得硬质合金致密坚硬，力学强度也得到极大提高，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
膨胀石墨的制备：
称取可膨胀石墨放入烘箱中，在105～110℃下干燥8～10h，将干燥后的可膨胀石墨放入微波反应器中，以900～1000W的功率处理40～45s后自然冷却至室温，并反复微波处理加热膨胀3～5次，得到膨胀石墨；
复合膨胀石墨的制备：
按质量比为8:1:1将氯化镍、氯化铝和氯化钾混合得到混合盐，将混合盐加热升温至150～160℃，待混合盐熔化后装入电解槽中，以铝片为正极，以上述膨胀石墨为负极，保持两级之间距离为40mm，在电流密度为1.06A/dm2的条件下电镀4～5h后，取下电镀后的负极，即为复合膨胀石墨；
自制抗磨填料的制备：
将上述得到的复合膨胀石墨放入烧结炉中，加热升温至700～800℃，保温烧结处理3～5h，烧结结束后，待自然冷却至室温，取出烧结产物并用无水乙醇反复冲洗3～5遍，自然晾干后粉碎过200目筛，即得自制抗磨填料，备用；
发酵滤渣的制备：
将稻壳和浓度为107cfu/mL枯草芽孢杆菌菌悬液按等质量比混合后装入发酵罐中，并将发酵罐放入空气相对湿度为60～70%，温度为40～50℃的发酵室中，静置发酵处理2～3周，发酵结束后过滤分离得到发酵滤渣；
浸渍产物的制备：
将上述得到发酵滤渣和钨酸以及质量分数为10%的氨水按质量比为1:1:10混合后放入超声振荡仪中，以25～35kHz的频率超声振荡浸渍1～2h，超声振荡浸渍结束后得到浸渍产物；
自制硬质料的制备：
将上述得到的浸渍产物放入高温烧结炉中，在等体积比的一氧化碳和氢气的保护气体条件下，加热升温至700～800℃，保温烧结处理2～3h，烧结处理结束后得到烧结产物，研磨后过100目筛，得到自制硬质料；
耐磨高强度硬质合金的制备：
按重量份数计，称取50～60份上述自制硬质料、8～10份备用的自制抗磨料、10～12份钴粉、10～15份镍粉和10～13份钼粉混合后放入球磨罐中球磨混合20～30min，将得到球磨产物倒入模具中，用液压机以8～10MPa的压力压制成型，并放入真空烧结炉中，加热升温至1450～1500℃，保温烧结1～2h后出料，即得耐磨高强度硬质合金。
实例1
膨胀石墨的制备：
称取可膨胀石墨放入烘箱中，在105℃下干燥8h，将干燥后的可膨胀石墨放入微波反应器中，以900W的功率处理40s后自然冷却至室温，并反复微波处理加热膨胀3次，得到膨胀石墨；
复合膨胀石墨的制备：
按质量比为8:1:1将氯化镍、氯化铝和氯化钾混合得到混合盐，将混合盐加热升温至150℃，待混合盐熔化后装入电解槽中，以铝片为正极，以上述膨胀石墨为负极，保持两级之间距离为40mm，在电流密度为1.06A/dm2的条件下电镀4h后，取下电镀后的负极，即为复合膨胀石墨；
自制抗磨填料的制备：
将上述得到的复合膨胀石墨放入烧结炉中，加热升温至700℃，保温烧结处理3h，烧结结束后，待自然冷却至室温，取出烧结产物并用无水乙醇反复冲洗3遍，自然晾干后粉碎过200目筛，即得自制抗磨填料，备用；
发酵滤渣的制备：
将稻壳和浓度为107cfu/mL枯草芽孢杆菌菌悬液按等质量比混合后装入发酵罐中，并将发酵罐放入空气相对湿度为60%，温度为40℃的发酵室中，静置发酵处理2周，发酵结束后过滤分离得到发酵滤渣；
浸渍产物的制备：
将上述得到发酵滤渣和钨酸以及质量分数为10%的氨水按质量比为1:1:10混合后放入超声振荡仪中，以25kHz的频率超声振荡浸渍1h，超声振荡浸渍结束后得到浸渍产物；
自制硬质料的制备：
将上述得到的浸渍产物放入高温烧结炉中，在等体积比的一氧化碳和氢气的保护气体条件下，加热升温至700℃，保温烧结处理2h，烧结处理结束后得到烧结产物，研磨后过100目筛，得到自制硬质料；
耐磨高强度硬质合金的制备：
按重量份数计，称取50份上述自制硬质料、8份备用的自制抗磨料、10份钴粉、10份镍粉和10份钼粉混合后放入球磨罐中球磨混合20min，将得到球磨产物倒入模具中，用液压机以8MPa的压力压制成型，并放入真空烧结炉中，加热升温至1450℃，保温烧结1h后出料，即得耐磨高强度硬质合金。
实例2
膨胀石墨的制备：
称取可膨胀石墨放入烘箱中，在108℃下干燥9h，将干燥后的可膨胀石墨放入微波反应器中，以950W的功率处理43s后自然冷却至室温，并反复微波处理加热膨胀4次，得到膨胀石墨；
复合膨胀石墨的制备：
按质量比为8:1:1将氯化镍、氯化铝和氯化钾混合得到混合盐，将混合盐加热升温至155℃，待混合盐熔化后装入电解槽中，以铝片为正极，以上述膨胀石墨为负极，保持两级之间距离为40mm，在电流密度为1.06A/dm2的条件下电镀4h后，取下电镀后的负极，即为复合膨胀石墨；
自制抗磨填料的制备：
将上述得到的复合膨胀石墨放入烧结炉中，加热升温至750℃，保温烧结处理4h，烧结结束后，待自然冷却至室温，取出烧结产物并用无水乙醇反复冲洗4遍，自然晾干后粉碎过200目筛，即得自制抗磨填料，备用；
发酵滤渣的制备：
将稻壳和浓度为107cfu/mL枯草芽孢杆菌菌悬液按等质量比混合后装入发酵罐中，并将发酵罐放入空气相对湿度为65%，温度为45℃的发酵室中，静置发酵处理2周，发酵结束后过滤分离得到发酵滤渣；
浸渍产物的制备：
将上述得到发酵滤渣和钨酸以及质量分数为10%的氨水按质量比为1:1:10混合后放入超声振荡仪中，以30kHz的频率超声振荡浸渍1h，超声振荡浸渍结束后得到浸渍产物；
自制硬质料的制备：
将上述得到的浸渍产物放入高温烧结炉中，在等体积比的一氧化碳和氢气的保护气体条件下，加热升温至750℃，保温烧结处理2h，烧结处理结束后得到烧结产物，研磨后过100目筛，得到自制硬质料；
耐磨高强度硬质合金的制备：
按重量份数计，称取55份上述自制硬质料、9份备用的自制抗磨料、11份钴粉、13份镍粉和11份钼粉混合后放入球磨罐中球磨混合25min，将得到球磨产物倒入模具中，用液压机以9MPa的压力压制成型，并放入真空烧结炉中，加热升温至1480℃，保温烧结2h后出料，即得耐磨高强度硬质合金。
实例3
膨胀石墨的制备：
称取可膨胀石墨放入烘箱中，在110℃下干燥10h，将干燥后的可膨胀石墨放入微波反应器中，以1000W的功率处理45s后自然冷却至室温，并反复微波处理加热膨胀5次，得到膨胀石墨；
复合膨胀石墨的制备：
按质量比为8:1:1将氯化镍、氯化铝和氯化钾混合得到混合盐，将混合盐加热升温至160℃，待混合盐熔化后装入电解槽中，以铝片为正极，以上述膨胀石墨为负极，保持两级之间距离为40mm，在电流密度为1.06A/dm2的条件下电镀5h后，取下电镀后的负极，即为复合膨胀石墨；
自制抗磨填料的制备：
将上述得到的复合膨胀石墨放入烧结炉中，加热升温至800℃，保温烧结处理5h，烧结结束后，待自然冷却至室温，取出烧结产物并用无水乙醇反复冲洗5遍，自然晾干后粉碎过200目筛，即得自制抗磨填料，备用；
发酵滤渣的制备：
将稻壳和浓度为107cfu/mL枯草芽孢杆菌菌悬液按等质量比混合后装入发酵罐中，并将发酵罐放入空气相对湿度为70%，温度为50℃的发酵室中，静置发酵处理3周，发酵结束后过滤分离得到发酵滤渣；
浸渍产物的制备：
将上述得到发酵滤渣和钨酸以及质量分数为10%的氨水按质量比为1:1:10混合后放入超声振荡仪中，以35kHz的频率超声振荡浸渍2h，超声振荡浸渍结束后得到浸渍产物；
自制硬质料的制备：
将上述得到的浸渍产物放入高温烧结炉中，在等体积比的一氧化碳和氢气的保护气体条件下，加热升温至800℃，保温烧结处理3h，烧结处理结束后得到烧结产物，研磨后过100目筛，得到自制硬质料；
耐磨高强度硬质合金的制备：
按重量份数计，称取60份上述自制硬质料、10份备用的自制抗磨料、12份钴粉、15份镍粉和13份钼粉混合后放入球磨罐中球磨混合30min，将得到球磨产物倒入模具中，用液压机以10MPa的压力压制成型，并放入真空烧结炉中，加热升温至1500℃，保温烧结2h后出料，即得耐磨高强度硬质合金。
对比例1：制备步骤和实例1基本相同，差别在于不添加本发明自制抗磨填料；
对比例2：制备步骤和实例1基本相同，差别在于用普通碳化钨代替本发明自制硬质料；
检测方法：
磨损量：采用UMT-3摩擦磨损试验机对自润滑轴承材料的摩擦磨损性能进行测试，选取的运动方式为球-块式往复运动和环-块式旋转运动，摩擦行程为1000m，摩擦线速度为0.6m/s，载荷为40N，对偶件轴承件GCR15和标准Cr钢球。
硬度：维氏硬度仪；
抗弯强度：万能力学试验机；
对本发明的实施例和对比例分别进行性能检测，检测结果如表1所述：
表1 性能检测结果
由上表中检测数据可以看出，本发明的对比例1由于缺少了自制的硬质料，因此最终制得的硬质合金的磨损量增加，耐磨性降低，硬度和抗弯强度也相应降低，而对比例2由于用普通碳化钨代替本发明自制硬质料，因此磨损量也增加，耐磨性变低，同时硬度和抗弯强度也相应降低，由此可见本发明使用的自制抗磨料和自制硬质料起到了增加耐磨性和硬度以及机械强度的效果，具有广阔的应用前景。
Claims (8)
1.一种耐磨高强度硬质合金，其特征在于：所述耐磨高强度硬质合金包括：自制硬质料、钴粉、镍粉和钼粉。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨高强度硬质合金，其特征在于：所述耐磨高强度硬质合金包括：自制硬质料、自制抗磨料、钴粉、镍粉和钼粉。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨高强度硬质合金，其特征在于：所述耐磨高强度硬质合金按重量份数计，包括： 50～60份自制硬质料、8～10份自制抗磨料、10～12份钴粉、10～15份镍粉和10～13份钼粉。
4.一种耐磨高强度硬质合金的制备方法，其特征在于：具体制备步骤为：
（1）自制抗磨填料的制备；
（2）自制硬质料的制备：
（3）耐磨高强度硬质合金的制备。
5.根据权利要求4所述的一种耐磨高强度硬质合金的制备方法，其特征在于：具体制备步骤为：
（1）自制抗磨填料的制备：
膨胀石墨的制备：
称取可膨胀石墨放入烘箱中，干燥，将干燥后的可膨胀石墨放入微波反应器中，处理后自然冷却至室温，并反复微波处理加热膨胀，得到膨胀石墨；
复合膨胀石墨的制备：
将氯化镍、氯化铝和氯化钾混合得到混合盐，将混合盐加热升温，待混合盐熔化后装入电解槽中，以铝片为正极，以上述膨胀石墨为负极，电镀后，取下电镀后的负极，即为复合膨胀石墨；
自制抗磨填料的制备：
将上述得到的复合膨胀石墨放入烧结炉中，加热升温，保温烧结处理，烧结结束后，待自然冷却至室温，取出烧结产物并用无水乙醇反复冲洗3～5遍，自然晾干后粉碎过200目筛，即得自制抗磨填料，备用；
（2）自制硬质料的制备：
发酵滤渣的制备：
将稻壳和浓度为107cfu/mL枯草芽孢杆菌菌悬液按等质量比混合后装入发酵罐中，并将发酵罐放入发酵室中，静置发酵处理，发酵结束后过滤分离得到发酵滤渣；
浸渍产物的制备：
将上述得到发酵滤渣和钨酸以及质量分数为10%的氨水混合后放入超声振荡仪中，超声振荡浸渍，超声振荡浸渍结束后得到浸渍产物；
自制硬质料的制备：
将上述得到的浸渍产物放入高温烧结炉中，在等体积比的一氧化碳和氢气的保护气体条件下，加热升温，保温烧结处理，烧结处理结束后得到烧结产物，研磨后过100目筛，得到自制硬质料；
（3）耐磨高强度硬质合金的制备：
称取上述自制硬质料、备用的自制抗磨料、钴粉、镍粉和钼粉混合后放入球磨罐中球磨混合20～30min，将得到球磨产物倒入模具中，用液压机压制成型，并放入真空烧结炉中，加热升温，保温烧结后出料，即得耐磨高强度硬质合金。
6.根据权利要求5所述的一种耐磨高强度硬质合金的制备方法，其特征在于：具体制备步骤为：
（1）自制抗磨填料的制备：
膨胀石墨的制备：
称取可膨胀石墨放入烘箱中，在105～110℃下干燥8～10h，将干燥后的可膨胀石墨放入微波反应器中，以900～1000W的功率处理40～45s后自然冷却至室温，并反复微波处理加热膨胀3～5次，得到膨胀石墨；
复合膨胀石墨的制备：
按质量比为8:1:1将氯化镍、氯化铝和氯化钾混合得到混合盐，将混合盐加热升温至150～160℃，待混合盐熔化后装入电解槽中，以铝片为正极，以上述膨胀石墨为负极，保持两级之间距离为40mm，在电流密度为1.06A/dm2的条件下电镀4～5h后，取下电镀后的负极，即为复合膨胀石墨；
自制抗磨填料的制备：
将上述得到的复合膨胀石墨放入烧结炉中，加热升温至700～800℃，保温烧结处理3～5h，烧结结束后，待自然冷却至室温，取出烧结产物并用无水乙醇反复冲洗3～5遍，自然晾干后粉碎过200目筛，即得自制抗磨填料，备用；
（2）自制硬质料的制备：
发酵滤渣的制备：
将稻壳和浓度为107cfu/mL枯草芽孢杆菌菌悬液按等质量比混合后装入发酵罐中，并将发酵罐放入空气相对湿度为60～70%，温度为40～50℃的发酵室中，静置发酵处理2～3周，发酵结束后过滤分离得到发酵滤渣；
浸渍产物的制备：
将上述得到发酵滤渣和钨酸以及质量分数为10%的氨水按质量比为1:1:10混合后放入超声振荡仪中，以25～35kHz的频率超声振荡浸渍1～2h，超声振荡浸渍结束后得到浸渍产物；
自制硬质料的制备：
将上述得到的浸渍产物放入高温烧结炉中，在等体积比的一氧化碳和氢气的保护气体条件下，加热升温至700～800℃，保温烧结处理2～3h，烧结处理结束后得到烧结产物，研磨后过100目筛，得到自制硬质料；
（3）耐磨高强度硬质合金的制备：
称取上述自制硬质料、备用的自制抗磨料、钴粉、镍粉和钼粉混合后放入球磨罐中球磨混合20～30min，将得到球磨产物倒入模具中，用液压机压制成型，并放入真空烧结炉中，加热升温至1450～1500℃，保温烧结1～2h后出料，即得耐磨高强度硬质合金。
7.根据权利要求5或6所述的一种耐磨高强度硬质合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，按重量份数计，自制硬质料为50～60份、自制抗磨料为8～10份、钴粉为10～12份、镍粉为10～15份、钼粉为10～13份。
8.根据权利要求5或6所述的一种耐磨高强度硬质合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，液压机压制成型的压力为8～10MPa。
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