CN115595483A - 一种木工雕刻用高硬纳米晶复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木工雕刻用高硬纳米晶复合材料及其制备方法，解决了现有技术中的木工雕刻刀具的材质不能在高温情况下保持良好的硬度、耐磨性以及强度韧性的技术问题。所述复合材料的制备包括下述重量百分比的原料：Co粉：5.5%‑6.5%，VC粉：0.2%‑0.5%，Cr3C2粉：0.4%‑0.8%，WC粉：余量。本发明的高硬纳米晶复合材料能在高温情况下保持良好的硬度、耐磨性以及强度韧性，适合制作木工雕刻用刀具。

Description

一种木工雕刻用高硬纳米晶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种木工雕刻用高硬纳米晶复合材料及其制备方法。
背景技术
当前，随着木材的个性化定制加工以及数控机床应用的拓展，木工的自动化雕刻日趋称为木材个性化定制的主流。由于木材种类多样，材质千差万别，加工表面质量要求高，加工强度大，这一方面对机床的构造、(主轴)稳定性等数控木工雕刻机设备提出很高要求，而更重要的是对作为耗材的雕刻刀具提出了极高的要求。
由于木工自动化雕刻，需要刀具在较长时间保持高强度的加工作业，工作环境十分恶劣，这需要雕刻刀具具有极高的硬度及耐磨性，保持较长的使用寿命，以及磨损及耐用度等切削性能具有良好的可预测性。
在长时间高速切削加工且无强冷过程中，刀具需承受较高的加工温度，这也需要雕刻刀具具有较高的耐热性能，即在高温情况下保持良好的硬度、耐磨性以及强度韧性。
此外，木工雕刻过程通常需要保持加工质量的稳定，忌讳加工过程中频繁换刀，因此雕刻刀材料需具备足够的强度和韧性，在高速高强度加工，且承受冲击及振动条件下工作而不产生崩刃和折断。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：
现有技术中的木工雕刻刀具的材质不能在高温情况下保持良好的硬度、耐磨性以及强度韧性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种木工雕刻用高硬纳米晶复合材料，以解决现有技术中的木工雕刻刀具的材质不能在高温情况下保持良好的硬度、耐磨性以及强度韧性的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种木工雕刻用高硬纳米晶复合材料，其特征在于，其制备包括下述重量百分比的原料：Co粉：5.5％-6.5％，VC粉：0.2％-0.5％，Cr3C2粉：0.4％-0.8％，WC粉：余量。
进一步的，各原料的重量百分比分别为：Co粉：5.8％-6.2％，VC粉：0.3％-0.4％，Cr3C2粉：0.5％-0.7％，WC粉：余量。
进一步的，各原料的重量百分比分别为：Co粉：6％，VC粉：0.4％，Cr3C2粉：0.6％，WC粉：93％。
进一步的，所述WC粉的晶粒度为0.1-0.4μm，总碳量6.05％-6.2％，氧含量小于0.33％；
所述Co粉的晶粒度为0.6-1.0μm；
所述Cr3C2粉的晶粒度为0.6-1.5μm，总碳量11.10％-11.40％；
所述VC粉的晶粒度为0.6-1.5μm，总碳量17.10％-17.50％。
本发明提供的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料的制备方法，包括下述步骤：
S1、按配比准备原料，将VC粉及Cr3C2粉先加入球磨机内进行预磨，预磨时间3-10h；然后将Co粉和WC粉加入球磨机内进行球磨，得到混合料；
S2、将混合料经过密闭式喷雾干燥制粒或者在密闭环境下加入增稠剂制成待压制混合料：
S3、将待压制混合料采用模压或挤压方式压制成型，得到压坯；
S4、采用压力烧结炉进行分段烧结，依次为：
①真空脱胶，温度为：室温-750℃，持续时间为：7-8h，炉内压力为20-40Pa；
②真空烧结，温度为：700-1250℃，持续时间为：3-3.5h，炉内压力为10-20Pa；
③分压烧结，温度为：1200-1380℃，持续时间为：3-3.5h，炉内压力为1000-1400Pa；
④加压烧结，温度为：1370-1415℃，持续时间为：1.5-2h，炉内压力为5.2-6MPa；最后在最高烧结温度1415-1420℃、炉内压力5.2-6MPa保温30-50min；
烧结完成后，得到成品。
进一步的，在步骤S4烧结完成后，还包括快冷处理步骤，所述快冷为加压水冷，冷却时间≤5小时，冷却完成后，得到成品。
进一步的，所述步骤S1中，预磨时，加入研磨介质和溶剂，加入的研磨介质为硬质合金球或研磨棒，加量为原料总重量的3-6倍，加入的溶剂采用无水乙醇，加量为原料总重量的1/3-1/5倍；球磨时，加入成型剂，成型剂采用石蜡或聚乙二醇，加量为原料总重量的2-3％；球磨时间为80-120小时。
进一步的，所述步骤S1中，将VC粉及Cr3C2粉先进行预磨，预磨时间3-10h。
进一步的，所述步骤S2中，采用密闭式喷雾干燥制粒时，干燥介质为氮气，温度为150-250℃，喷雾供料压力1000-1700KPa；采用在密闭环境下加入增稠剂时，是向混合料中加入增稠剂并搅拌0.5-2h使混合料与增稠剂混合均匀。
进一步的，所述增稠剂为甲基纤维素或乙脱敏，所述增稠剂的加量为原料总重量的0.1‰-0.8‰。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
(1)本发明提供的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料，选用WC粉为主要原料，其硬度(莫氏硬度达9.5)与目前已知最硬的金刚石(莫氏硬度为10)相近，且具有极高的熔点2870℃；加入的钴粉作为金属粘结相，其与碳化钨的润湿角接近0°，具有极好的亲和性，加入后与WC粉相互作用可以增强材料的强度和韧性；而选择纳米晶级的WC粉，其晶粒度为0.1-0.4μm，可以进一步增强材料的硬度、强度及韧性；同时选择Co粉的粒度为0.5-1.0μm，可以使WC-Co更加均匀的混合；并且，加入适当配比的VC粉及Cr3C2，可以通过抑制WC在Co内的溶解析出过程以达到抑制晶粒长大的效果，进而使WC晶粒保持原有粒度水平，可以保证材料具有更高的硬度、强度及韧性。
(2)本发明提供的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料的制备方法，先对VC粉和Cr3C2粉提前进行预磨，通过在溶剂内的高能球磨，使其均匀分散在溶剂中，一方面可以将晶粒抑制剂(VC粉和Cr3C2粉)混合均匀，另一方面可以进一步细化晶粒，与WC粉混合后可以提高抑制WC晶粒长大的效果；在混合料生产以及成型过程中，采用密闭洁净的加工方式，以保证材料在生产过程中不被污染，可以避免混合料及产品生产过程中因脏化而产生缺陷，以保证材料性能的稳定性，在加工成木工自动化雕刻刀后，可以保证木工雕刻加工质量的稳定，减少换刀的次数，且在承受冲击及振动条件下工作而不产生崩刃和折断；在烧结的过程中，对所生产的成型压坯进行真空脱胶及压力烧结，可以尽量避免超细粉末的吸氧，进而避免烧结过程中产生孔隙，可以得到的材料成品材质更加致密，发挥最佳的性能，以适合木工自动化雕刻刀的使用。
具体实施方式
一、原料说明
WC粉：晶粒度为0.1-0.4μm，总碳量6.05-6.2％，氧含量小于0.33％。
Co粉：晶粒度为0.6-1.0μm。
Cr3C2粉：晶粒度为0.6-1.5μm，总碳量11.10-11.40％。
VC粉：晶粒度为0.6-1.5μm，总碳量17.10-17.50％。
二、制备实施例
1、原料：
实施例1-实施例6中各原料的重量百分比如下表1所示：
表1实施例原料表
Co粉 VC粉 Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>粉 WC粉
实施例1 6.3％ 0.35％ 0.6％ 92.75％
实施例2 6.3％ 0.35％ 0.6％ 92.75％
实施例3 6.0％ 0.25％ 0.65％ 93.10％
实施例4 6.0％ 0.4％ 0.65％ 92.92％
实施例5 6.0％ 0.25％ 0.45％ 93.3％
实施例6 5.5％ 0.3％ 0.5％ 93.7％
2、制备方法：
实施例1：
包括下述步骤：
S1、按配比准备原料；
①先将VC粉及Cr3C2粉加入球磨机先进行预磨，预磨时间3h，预磨时加入研磨介质硬质合金球，加量为原料总重量的6倍，加入溶剂(无水乙醇)，加量为原料总重量的1/5倍；
②然后再加入WC粉和Co粉进行球磨，球磨时加入成型剂(石蜡)，加量为原料总重量的2％；球磨时间为60小时；
球磨结束后，得到混合料；
S2、将步骤S1得到的混合料进行密闭式喷雾干燥制粒，干燥介质为氮气，温度为250℃，喷雾供料压力1000KPa，得到待压制混合料；
S3、将待压制混合料采用模压或挤压方式压制成型，得到压坯；
S4、采用压力烧结炉进行分段烧结，依次为：
①真空脱胶，温度为：室温-750℃，持续时间为：8h，炉内压力为20Pa；
②真空烧结，温度为：750-1200℃，持续时间为：3h，炉内压力为10Pa；
③分压烧结，温度为：1200-1380℃，持续时间为：3h，炉内压力为1000Pa；
④加压烧结，温度为：1380-1405℃，持续时间为：1.5h，炉内压力为6MPa；最后在最高烧结温度1420℃、炉内压力5.2MPa保温30min；
烧结完成后，得到成品。
实施例2：
包括下述步骤：
S1、按配比准备原料；
①先将VC粉及Cr3C2粉加入球磨机先进行预磨，预磨时间10h；，预磨时加入研磨介质研磨棒，加量为原料总重量的3倍；加入溶剂(无水乙醇)，加量为原料总重量的1/3倍；
②然后再加入WC粉和Co粉进行球磨，球磨时加入成型剂(聚乙二醇)，加量为原料总重量的3％；球磨时间为80小时；球磨结束后，得到混合料；
S2、向将步骤S1得到的混合料中加入增稠剂并搅拌1h使混合料与增稠剂混合均匀，增稠剂采用甲基纤维素，加量为原料总重量的0.1‰，得到待压制混合料；
S3、将待压制混合料采用模压或挤压方式压制成型，得到压坯；
S4、采用压力烧结炉进行分段烧结，依次为：
①真空脱胶，温度为：室温-700℃，持续时间为：7h，炉内压力为40Pa；
②真空烧结，温度为：700-1250℃，持续时间为：3.5h，炉内压力为20Pa；
③分压烧结，温度为：1250-1370℃，持续时间为：3.5h，炉内压力为1400Pa；
④加压烧结，温度为：1370-1415℃，持续时间为：2h，炉内压力为6MPa；最后在最高烧结温度1415℃、炉内压力6MPa保温50min；
烧结完成后，得到成品。
实施例3：
包括下述步骤：
S1、按配比准备原料；
①先将VC粉及Cr3C2粉加入球磨机先进行预磨，预磨时间3-10h；，预磨时加入研磨介质硬质合金球，加量为原料总重量的4倍；加入溶剂(无水乙醇)，加量为原料总重量的1/4倍；
②然后再加入WC粉和Co粉进行球磨，球磨时加入了成型剂(石蜡)，加量为原料总重量的2.5％；球磨时间为90小时；球磨结束后，得到混合料；
S2、将步骤S1得到的混合料进行密闭式喷雾干燥制粒，干燥介质为氮气，温度为200℃，喷雾供料压力1400KPa，得到待压制混合料；
S3、将待压制混合料采用模压或挤压方式压制成型，得到压坯；
S4、采用压力烧结炉进行分段烧结，依次为：
S4、采用压力烧结炉进行分段烧结，依次为：
①真空脱胶，温度为：室温-750℃，持续时间为：8h，炉内压力为20Pa；
②真空烧结，温度为：750-1200℃，持续时间为：3h，炉内压力为10Pa；
③分压烧结，温度为：1200-1380℃，持续时间为：3h，炉内压力为1000Pa；
④加压烧结，温度为：1380-1405℃，持续时间为：1.5h，炉内压力为6MPa；最后在最高烧结温度1420℃、炉内压力5.2MPa保温30min；
S5、在步骤S4烧结完成后，进行快冷处理，所述快冷为加压水冷，冷却时间≤5小时，冷却完成后，得到成品。
实施例4：
包括下述步骤：
S1、按配比准备原料；
①先将VC粉及Cr3C2粉加入球磨机先进行预磨，预磨时间6h；，预磨时加入研磨介质硬质合金球，，加量为原料总重量的5倍；加入溶剂(无水乙醇)，加量为原料总重量的1/5倍；
②然后再加入WC粉和Co粉进行球磨，球磨时成型剂(聚乙二醇)，加量为原料总重量的3％；球磨时间为100小时；球磨结束后，得到混合料；
S2、向将步骤S1得到的混合料中加入增稠剂并搅拌2h使混合料与增稠剂混合均匀，增稠剂采用乙脱敏，加量为原料总重量的0.8‰；得到待压制混合料；
S3、将待压制混合料采用模压或挤压方式压制成型，得到压坯；
S4、采用压力烧结炉进行分段烧结，依次为：
①真空脱胶，温度为：室温-700℃，持续时间为：7h，炉内压力为40Pa；
②真空烧结，温度为：700-1250℃，持续时间为：3.5h，炉内压力为20Pa；
③分压烧结，温度为：1250-1370℃，持续时间为：3.5h，炉内压力为1400Pa；
④加压烧结，温度为：1370-1415℃，持续时间为：2h，炉内压力为6MPa；最后在最高烧结温度1415℃、炉内压力6MPa保温50min；
S5、在步骤S4烧结完成后，进行快冷处理，所述快冷为加压水冷，冷却时间≤5小时，冷却完成后，得到成品。
实施例5：
包括下述步骤：
S1、按配比准备原料；
①先将VC粉及Cr3C2粉加入球磨机先进行预磨，预磨时间5h；，预磨时加入研磨介质硬质合金球，加量为原料总重量的5倍，加入溶剂(无水乙醇)，加量为原料总重量的1/3倍；
②然后再加入WC粉和Co粉进行球磨，球磨时加入成型剂(聚乙二醇)，加量为原料总重量的3％；球磨时间为110小时；球磨结束后，得到混合料；
S2、将步骤S1得到的混合料进行密闭式喷雾干燥制粒，干燥介质为氮气，温度为230℃，喷雾供料压力1200KPa，得到待压制混合料；
S3、将待压制混合料采用模压或挤压方式压制成型，得到压坯；
S4、采用压力烧结炉进行分段烧结，依次为：
①真空脱胶，温度为：室温-720℃，持续时间为：7.5h，炉内压力为30Pa；
②真空烧结，温度为：720-1230℃，持续时间为：3.2h，炉内压力为15Pa；
③分压烧结，温度为：1230-1350℃，持续时间为：3.2h，炉内压力为1200Pa；
④加压烧结，温度为：1350-1410℃，持续时间为：1.8h，炉内压力为5.5MPa；最后在最高烧结温度1415℃、炉内压力5.5MPa保温40min；
S5、在步骤S4烧结完成后，进行快冷处理，所述快冷为加压水冷，冷却时间≤5小时，冷却完成后，得到成品。
实施例6：
制备方法同实施例1。
三、实验例
1、将实施例1-6中制备的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料进行性能检测，检测结果如下表2所示：
(1)检测标准：
洛氏硬度：GB/T 3849.1-2015；抗弯强度：GB/T 3851-2015；断裂韧性：GB/T33819-2017。
(2)检测结果如下表2所示：
表2性能检测结果
Figure BDA0003362936760000091
2、硬木加工实验
将实施例3所制得的硬质合金材料制成钻头与高速钢钻头进行硬木加工对比实验，在转速为8000r/min，加工孔径为5mm、深度为20mm的孔2000个。对比加工效果以及钻头刃口，结果见下表3：
表3硬木加工实验结果
Figure BDA0003362936760000101

Claims (9)

1.一种木工雕刻用高硬纳米晶复合材料，其特征在于，其制备包括下述重量百分比的原料：Co粉：5.5%-6.5%，VC粉：0.2%-0.5%，Cr3C2粉：0.4%-0.8%，WC粉：余量。
2.根据权利要求1所述的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料，其特征在于，各原料的重量百分比分别为：Co粉：5.8%-6.2%，VC粉：0.3%-0.4%，Cr3C2粉：0.5%-0.7%，WC粉：余量。
3.根据权利要求1所述的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料，其特征在于，各原料的重量百分比分别为：Co粉：6%，VC粉：0.4%，Cr3C2粉：0.6%，WC粉：93%。
4.根据权利要求1所述的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料，其特征在于，所述WC粉的晶粒度为0.1-0.4μm，总碳量6.05%-6.2%，氧含量小于0.33%；
所述Co粉的晶粒度为0.6-1.0μm；
所述Cr3C2粉的晶粒度为0.6-1.5μm，总碳量11.10%-11.40%；
所述VC粉的晶粒度为0.6-1.5μm，总碳量17.10%-17.50%。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、按配比准备原料，将VC粉及Cr3C2粉先加入球磨机内进行预磨，预磨时间3-10h；然后将Co粉和WC粉加入球磨机内进行球磨，得到混合料；
S2、将混合料经过密闭式喷雾干燥制粒或者在密闭环境下加入增稠剂，制成待压制混合料：
S3、将待压制混合料采用模压或挤压方式压制成型，得到压坯；
S4、采用压力烧结炉进行分段烧结，依次为：
①真空脱胶，温度为：室温-750℃，持续时间为：7-8h，炉内压力为20-40Pa；
②真空烧结，温度为：700-1250℃，持续时间为：3-3.5h，炉内压力为10-20Pa；
③分压烧结，温度为：1200-1380℃，持续时间为：3-3.5h，炉内压力为1000-1400Pa；
④加压烧结，温度为：1370-1415℃，持续时间为：1.5-2h，炉内压力为5.2-6MPa；最后在最高烧结温度1415-1420℃、炉内压力5.2-6MPa保温30-50min；
烧结完成后，得到成品。
6.根据权利要求5所述的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4烧结完成后，还包括快冷处理步骤，所述快冷为加压水冷，冷却时间≤5小时，冷却完成后，得到成品。
7.根据权利要求5所述的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，预磨时，加入研磨介质和溶剂，加入的研磨介质为硬质合金球或研磨棒，加量为原料总重量的3-6倍，加入的溶剂采用无水乙醇，加量为原料总重量的1/3-1/5倍；球磨时，加入成型剂，成型剂采用石蜡或聚乙二醇，加量为原料总重量的2-3%；球磨时间为80-120小时。
8.根据权利要求5所述的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用密闭式喷雾干燥制粒时，干燥介质为氮气，温度为150-250℃，喷雾供料压力1000-1700KPa；采用在密闭环境下加入增稠剂时，是向混合料中加入增稠剂并搅拌0.5-2h使混合料与增稠剂混合均匀。
9.根据权利要求8所述的木工雕刻用高硬纳米晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述增稠剂为甲基纤维素或乙脱敏，所述增稠剂的加量为原料总重量的0.1‰-0.8‰。
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