CN112831707A - 一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了采用静电吸附工艺制备石墨烯增强WC‑8Co复合粉末，石墨烯为基体增强相，利用低压烧结工艺制备石墨烯增强WC‑8Co复合材料。静电吸附制备的石墨烯增强WC‑8Co复合粉末经过低压烧结后得到的硬质合金抗弯强度和维氏硬度分别为3250MPa和1846Hv30，比不添加石墨烯的WC‑8Co硬质合金抗弯强度和硬度分别提高了38.92％和7.93％。石墨烯均匀分散在WC基体中，高温烧结时通过阻碍晶界的扩散、位错的滑移来细化晶粒，产生裂纹时阻碍裂纹扩展，从而增强材料力学性能。

Description

一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金
技术领域
本发明涉及一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金，属于金属化工技术领域。
背景技术
WC-Co硬质合金是由难熔金属的硬质化合物WC和粘结相Co通过粉末冶金技术制成的一种高硬度、高耐磨性的复合材料。广泛应用于矿山工具、切削工具、航空航天、仪表和机械等诸多工业领域中。随着未来高新技术武器装备制造、尖端科学技术的进步以及新能源的快速发展，对刀具的寿命、切削效率要求越来越高，传统的硬质合金已不能满足使用要求。
石墨烯在微观上是由碳原子以SP2杂化轨道结合只有单个原子层厚度的二维材料，这种特殊结构赋予其许多优异的性质，如高导电性、高导热性、高强度及高的比表面积等，以上特性使得石墨烯成为材料科学领域中复合材料理想的增强体。研究表明，将少量的石墨烯薄片加入到陶瓷材料中，陶瓷材料在保持高硬度的同时，横向断裂强度和断裂韧性也能显著提高。目前关于硬质合金中添加石墨烯的研究，由于石墨烯与WC-Co材料密度差异大，机械混合很难将石墨烯均匀分散在WC-Co基体中，石墨烯起不到增强作用。因此找到好的添加石墨烯的方法，制备出高硬度、高强度、高耐磨性的硬质合金尤为关键。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金，按重量百分含量计，所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金由以下原料制备而成：
组分A：WC、Co合金粉，粒径0.8-1.2μm，纯度99.8-99.9％；
组分B：氧化石墨烯，0.05-0.30％；
组分A、组分B置于酒精溶液中，经过CTAB改性的WC-Co合金粉与氧化石墨烯相结合，制得所需的混合粉，再经过压制、烧结过程制得所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金。
组分A：WC、金属Co、炭黑、Cr2C3粉末按球料重量比10：1称量，球磨2-5h后获得混合均匀的粉末，采用CTAB对WC-Co合金粉末进行改性，使得WC-Co合金粉末表面带有正电荷，氧化石墨烯表面分散的含氧官能团带负电荷，通过静电力结合在一起，获得石墨烯与WC-Co相结合的复合粉末。石墨烯与WC-Co均匀混合的复合粉末经过喷雾造粒获得粒径范围5-10μm的复合粉末球。石墨烯与WC-Co相结合的复合粉末球经100-150MPa的压力压制成坯，采用低压烧结，烧结温度1400-1420℃，烧结到最高温度后采用Ar加压，烧结压力2-4MPa，保温保压0.5-1h。
作为优选方案，组分A：WC-Co合金粉，粒径0.8-1.2μm，纯度99.90％；组分B：氧化石墨烯，0.2％；采用CTAB对WC-Co合金粉末进行改性，使得WC-Co合金粉末表面带有正电荷，氧化石墨烯表面分散的含氧官能团带负电荷，通过静电力结合在一起，获得石墨烯与WC-Co相结合的复合粉末。
有益效果：本发明提供一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金，与未添加石墨烯的合金相比抗弯强度和硬度分别提高了38.92％和7.93％，静电吸附工艺添加的石墨烯薄片均匀分散在基体表面，烧结过程中通过阻碍晶界的扩散、位错的滑移来细化晶粒，同时在复合材料受力产生微裂纹时承担载荷、释放应力并阻止裂纹扩展，从而起到增强力学性能的作用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本实施例用于一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金，按重量百分计，本实施例所述合金配方为：
组分A：WC-Co合金粉，粒径0.8-1.2μm，99.90％；
组分B：氧化石墨烯，0.20％；
组分A、组分B置于酒精溶液中，经过CTAB改性的WC-Co合金粉与氧化石墨烯相结合，制得所需的混合粉，再经过造粒、压制和烧结过程制得所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金。
本实施例用于一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金，包括以下步骤：
(1)WC粉2760g(费氏粒度1.10μm，含碳量为5.45wt％)，Co粉240g(费氏粒度1.20μm)，含Co量为质量分数8％，研磨介质为2.60L的无水乙醇(纯度99.50％)，研磨介质为直径5mm的WC球(球料比10：1)，9g炭黑，60g切片石蜡颗粒，适量的晶粒抑制剂Cr2C3。将上述配好的粉末分批次缓慢地加入研磨机中，转速300rpm，进行湿磨获得WC-Co粉末浆料。球磨结束后，筛网过筛分离磨球与浆料，获得固含量为60％的WC-Co粉末浆料。
(2)将质量分数为1.07％的氧化石墨烯分散液超声分散到酒精中配成1mg/mL的氧化石墨烯酒精溶液，将100g WC-Co粉体浆料(含有60g WC-Co粉体)加入到质量分数为0.50％的表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵，CTAB)水溶液中，在电动搅拌器下搅拌20min，搅拌速度为400r/min，使WC-Co粉体表面带有正电荷。然后分别缓慢地将60mL的氧化石墨烯酒精溶液逐滴添加到WC-Co粉体浆料中，之后以300r/min的速度搅拌5min分别获得氧化石墨烯质量分数为0.2％的氧化石墨烯增强WC-Co复合粉体浆料。
(3)采用喷雾造粒机进行造粒，进料量为20ml/min，喷雾压力0.20MPa，进风温度130℃，出风温度100℃，得到球形形貌的氧化石墨烯增强WC-Co复合粉末。
(4)将复合粉末在2.50t的压力下压制成坯条。
(5)低压烧结就是在1410℃保温时通入氩气形成2MPa的微正压。800℃以下为预烧结阶段，在此阶段内能够消除预成型坯条的残余应力，抽负压使块体中的水分、酒精、气体挥发掉；脱除石蜡和表面活性剂CTAB，使其挥发、热分解；氧化石墨烯开始还原为石墨烯。最终烧结温度为1410℃，保温时间60min，冲入2MPa的氩气保持微正压。
本实施例所制备的硬质合金，其抗弯强度≥3300MPa、硬度≥1850HV30；与未添加石墨烯的合金相比抗弯强度和硬度分别提高了38.92％和7.93％。
附图说明
图1为静电吸附添加质量分数0.2％氧化石墨烯复合粉末形貌图。
图2为固含量为70％的浆料造粒的球状复合粉末。
图3为静电吸附添加质量分数0.2％氧化石墨烯的WC-Co复合粉末烧结后断口形貌图。

Claims (8)

1.一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金，其特征在于，按重量百分含量计，所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金由以下原料制备而成：
组分A：WC、Co合金粉，粒径0.8-1.2μm，纯度99.8-99.9％；
组分B：氧化石墨烯，0.05-0.3％；
组分A、组分B置于酒精溶液中，经过CTAB改性的WC-Co合金粉与氧化石墨烯相结合，制得所需的混合粉，再经过造粒、压制和烧结过程制得所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金。
2.根据权利要求1所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金，其特征在于，组分A：WC-Co合金粉，按重量百分量计，原料组成为：WC粉末，粒径0.9-1.2μm，90-92％；金属Co粉末，粒径1.0-1.2μm；7-8％；C粉末，粒径0.8-1.0μm，0.3％；Cr2C3粉末，粒径2-3μm，0.5％。
3.根据权利要求2所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金，其特征在于，组分A：WC-Co的制备方法为：WC、金属Co、C、Cr2C3粉末按球料重量比10：1，球磨3h后获得混合均匀的粉末，平均粒径在0.8μm左右。
4.根据权利要求1所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金，其特征在于，采用CTAB对WC-Co合金粉末进行改性，使得WC-Co合金粉末表面带有正电荷，氧化石墨烯表面分散的含氧官能团带负电荷，通过静电力结合在一起，获得石墨烯与WC-Co相结合的复合粉末。
5.根据权利要求4所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金，其特征在于，石墨烯与WC-Co相结合的复合粉末经过喷雾造粒获得粒度均匀的石墨烯与WC-Co相结合的复合粉末球，平均粒径5-10μm。石墨烯与WC-Co相结合的复合粉末球经100-150MPa的压力压制成坯，采用低压烧结，烧结温度1400-1420℃，烧结到最高温度后采用Ar加压，烧结压力2-4MPa，保温保压0.5-1h。
6.根据权利要求1所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金，其特征在于，组分A：WC-Co合金粉，粒径0.8-1.0μm，99.95％；组分B：氧化石墨烯，0.05％。
7.根据权利要求1所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金，其特征在于，组分A：WC-Co合金粉，粒径0.8-1.0μm，99.90％；组分B：氧化石墨烯，0.10％。
8.根据权利要求1所述的添加石墨烯作为增强相的硬质合金，其特征在于，组分A：WC-Co合金粉，粒径0.8-1.0μm，99.80％；组分B：氧化石墨烯，0.20％。
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