CN115612906B - 一种碳纳米管-氧化铝改性的硬质合金 - Google Patents

一种碳纳米管-氧化铝改性的硬质合金 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种碳纳米管‑氧化铝改性的硬质合金，包括如下组成(重量份)：WC粉90‑98份；Co粉3‑8份；Ni粉0.5‑2份；碳纳米管0.1‑0.5份；氧化铝0.5‑1.5份；氧化钇0.05‑0.2份。上述组分烧结得到的合金材料更加致密，密度更大，硬度和韧性同时得到改善。

Description

一种碳纳米管-氧化铝改性的硬质合金
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种碳纳米管-氧化铝改性的硬质合金。
背景技术
硬质合金是由硬质难熔金属碳化物相和粘结金属相组成的烧结材料，具有高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨耐腐蚀性好等特点，广泛应用于各种切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀零部件等。随着硬质合金的广泛应用，行业内对硬质合金的要求越来越高，尤其是现有技术难以同时改善合金的硬度和韧性，硬质合金的还需要进一步的改善。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种硬质合金，包括如下组成(重量份)：
其中，所述氧化铝为β-氧化铝和γ-氧化铝中的一种或两种。
其中，WC粉的含量优选91-95份；
Co粉含量优选4-6份；
Ni粉含量优选0.8-1.5份；
碳纳米管含量优选0.1-0.3份；
氧化铝含量优选0.6-1.2份；
氧化钇含量优选0.08-0.15份。
其中，WC粉的平均粒径(D50)为100-1000nm，优选400-800nm，更优选500-700nm；
Co粉的平均粒径(D50)为0.5-3μm，优选0.8-2μm，更优选1-1.5μm；
Ni粉的平均粒径(D50)为0.5-3μm，优选1-2μm，更优选1.2-1.5μm；
碳纳米管直径5-30nm，长度1-20μm，优选直径10-18nm，长度5-15μm；
氧化铝的平均粒径(D50)为100-1000nm，优选300-800nm，更优选400-600nm；
氧化钇的平均粒径(D50)为10-100nm，优选20-80nm，更优选50-70nm。
所述硬质合金的制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将上述原料粉末混合后倒入球磨桶中进行湿磨12-36h，球磨介质为无水乙醇，干燥过筛后得到混合粉末；
(2)将混合粉末置于真空烧结炉中，先通入氮气，升温至400-600℃，然后抽真空并继续升温至1400℃以上进行烧结，并保温1-3h；
(3)冷却，真空保护下冷却至室温。
所述抽真空并继续升温的温度为1500-1900℃，优选1600-1800℃。
本发明还提供了一种硬质合金的用途，所述的硬质合金可用于数控刀具用刀片、钻头用切削刀片、铣削用切削刀片、车削用切削刀片等。
本发明还提供了数控刀具用刀片、钻头用切削刀片、铣削用切削刀片、车削用切削刀片，所述刀片中含有上述硬质合金。
本领域技术人员知道，硬质合金是由硬质相、粘结相和改性剂组成，改性剂的含量虽然低但是作用却很重要，改性剂的主要作用为抑制碳化物晶粒在烧结过程中长大，降低硬质合金性能对烧结温度的敏感性。其中氧化铝即为常见的一种改性剂，发明人也针对进行了相关重复试验，在一次重复试验中发现硬质合金的效果和之前不同，后来发现是错误的使用了不同晶型的氧化铝，这引起了发明人的思考，可能不同晶型的氧化铝在对硬质合金中组分WC的改进效果上存在不同，继续多次试验后完成了本发明，获得了一种强度和韧性综合性能优异的硬质合金。
与现有技术相比，本发明的硬质合金具有以下有益效果：
(1)Y元素作为稀土金属的一种，容易形变，电子结构特殊，该元素的掺杂有助于抑制硬质合金碳化物晶粒的长大，可以改善硬质合金的力学性能。
(2)本发明意外的发现相对于α-氧化铝，β-氧化铝和γ-氧化铝可以更好的改善硬质合金的性能，分析原因，可能是因为相对于α-氧化铝，β-氧化铝和γ-氧化铝的晶型并不稳定，在烧结过程中存在转化的过程，正是这一转化过程有助于硬质合成更好的烧结，得到的材料更加致密，密度更大，综合力学性能也更优。
(3)碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能，也常作为硬质合金的改性剂，本发明中发现碳纳米管的加入，可以进一步改善氧化铝的改性效果，使得硬质合金的强度和韧性上都有了明显的改善。
(4)本发明得到的硬质合金成本较低，使用低含量的改性剂就可以得到高性能的硬质合金，性能优异，并且本发明的制备工艺简单，可以直接应用于工业生产。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种硬质合金，包括如下组成(重量份)：
其中，所述氧化铝为β-氧化铝和γ-氧化铝中的一种或两种。
其中，WC粉的含量优选91-95份；
Co粉含量优选4-6份；
Ni粉含量优选0.8-1.5份；
碳纳米管含量优选0.1-0.3份；
氧化铝含量优选0.6-1.2份；
氧化钇含量优选0.08-0.15份。
其中，WC粉的平均粒径(D50)为100-1000nm，优选400-800nm，更优选500-700nm；
Co粉的平均粒径(D50)为0.5-3μm，优选0.8-2μm，更优选1-1.5μm；
Ni粉的平均粒径(D50)为0.5-3μm，优选1-2μm，更优选1.2-1.5μm；
碳纳米管直径5-30nm，长度1-20μm，优选直径10-18nm，长度5-15μm；
氧化铝的平均粒径(D50)为100-1000nm，优选300-800nm，更优选400-600nm；
氧化钇的平均粒径(D50)为10-100nm，优选20-80nm，更优选50-70nm。
所述硬质合金的制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将上述原料粉末混合后倒入球磨桶中进行湿磨12-36h，球磨介质为无水乙醇，干燥过筛后得到混合粉末；
(2)将混合粉末置于真空烧结炉中，先通入氮气，升温至400-600℃，然后抽真空并继续升温至1400℃以上进行烧结，并保温1-3h；
(3)冷却，真空保护下冷却至室温。
所述抽真空并继续升温的温度为1500-1900℃，优选1600-1800℃。
<相关原料>
碳纳米管获自南京先丰纳米材料科技有限公司；
氧化铝获自浙江亚美纳米科技有限公司；
其他原料如无特殊说明，均可以直接购买使用。
<实施例>
实施例1
一种硬质合金，包括如下组成(重量份)：
其中，WC粉的平均粒径(D50)约600nm，Co粉的平均粒径约1.16μm，Ni粉的平均粒径约1.40μm，碳纳米管直径10-18nm，长度5-15μm，β-氧化铝的平均粒径约500nm，氧化钇的平均粒径约60nm。
所述硬质合金的制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将上述原料粉末混合后倒入球磨桶中进行湿磨24h，球磨介质为无水乙醇，干燥过筛后得到混合粉末；
(2)将混合粉末置于真空烧结炉中，先通入氮气，升温至550℃，然后抽真空并继续升温至1600℃进行烧结，并保温1.5h；
(3)冷却，真空保护下冷却至室温。
将得到的硬质合金进行相关的测试。
实施例2
一种硬质合金，包括如下组成(重量份)：
其中，WC粉的平均粒径(D50)约600nm，Co粉的平均粒径约1.16μm，Ni粉的平均粒径约1.40μm，碳纳米管直径10-18nm，长度5-15μm，γ-氧化铝的平均粒径约550nm，氧化钇的平均粒径约60nm。
所述硬质合金的制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将上述原料粉末混合后倒入球磨桶中进行湿磨24h，球磨介质为无水乙醇，干燥过筛后得到混合粉末；
(2)将混合粉末置于真空烧结炉中，先通入氮气，升温至550℃，然后抽真空并继续升温至1600℃进行烧结，并保温1.5h；
(3)冷却，真空保护下冷却至室温。
将得到的硬质合金进行相关的测试。
对比例1
一种硬质合金，包括如下组成(重量份)：
其中，WC粉的平均粒径(D50)约600nm，Co粉的平均粒径约1.16μm，Ni粉的平均粒径约1.40μm，碳纳米管直径10-18nm，长度5-15μm，α-氧化铝的平均粒径约500nm，氧化钇的平均粒径约60nm。
所述硬质合金的制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将上述原料粉末混合后倒入球磨桶中进行湿磨24h，球磨介质为无水乙醇，干燥过筛后得到混合粉末；
(2)将混合粉末置于真空烧结炉中，先通入氮气，升温至550℃，然后抽真空并继续升温至1600℃进行烧结，并保温1.5h；
(3)冷却，真空保护下冷却至室温。
将得到的硬质合金进行相关的测试。
对比例2
一种硬质合金，包括如下组成(重量份)：
其中，WC粉的平均粒径(D50)约600nm，Co粉的平均粒径约1.16μm，Ni粉的平均粒径约1.40μm，碳纳米管直径10-18nm，长度5-15μm，氧化钇的平均粒径约60nm。
所述硬质合金的制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将上述原料粉末混合后倒入球磨桶中进行湿磨24h，球磨介质为无水乙醇，干燥过筛后得到混合粉末；
(2)将混合粉末置于真空烧结炉中，先通入氮气，升温至550℃，然后抽真空并继续升温至1600℃进行烧结，并保温1.5h；
(3)冷却，真空保护下冷却至室温。
将得到的硬质合金进行相关的测试。
对比例3
一种硬质合金，包括如下组成(重量份)：
其中，WC粉的平均粒径(D50)约600nm，Co粉的平均粒径约1.16μm，Ni粉的平均粒径约1.40μm，β-氧化铝的平均粒径约500nm，氧化钇的平均粒径约60nm。
所述硬质合金的制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将上述原料粉末混合后倒入球磨桶中进行湿磨24h，球磨介质为无水乙醇，干燥过筛后得到混合粉末；
(2)将混合粉末置于真空烧结炉中，先通入氮气，升温至550℃，然后抽真空并继续升温至1600℃进行烧结，并保温1.5h；
(3)冷却，真空保护下冷却至室温。
将得到的硬质合金进行相关的测试。
上述实施例和对比例测试结果如表1。
表1：硬质合金性能测试结果
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3
硬度/HV30 2048 2035 1942 1883 1904
韧性/MPa·m1/2 10.29 10.13 9.47 9.68 9.35
密度/g·cm-3 14.761 14.652 14.493 14.365 14.418
从测试结果可以看出，实施例1-2相对于对比例1，在硬度和韧性上均更佳，密度上更大，也即为合金整体上更为致密，说明相对于α-氧化铝，β-氧化铝和γ-氧化铝可以更好的改善硬质合金的性能，经分析，应该是β-氧化铝和γ-氧化铝可以使得WC、Co等在烧结时晶粒更为细致均匀。进一步的，从对比例2和对比例3可以看出，氧化铝和碳纳米管是缺一不可的，在缺少其中一种时，硬质合金的硬度和韧性都有一定程度的影响，性能上无法达到最优。
当然，本领域技术人员知悉，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种硬质合金，其特征在于，组成如下：
WC粉90-98重量份；
Co粉3-8重量份；
Ni粉0.5-2重量份；
碳纳米管0.1-0.5重量份；
氧化铝0.5-1.5重量份；
氧化钇0.05-0.2重量份；
所述氧化铝为β-氧化铝或γ-氧化铝；
其中，WC粉的平均粒径为500-700nm；
Co粉的平均粒径为1-1.5μm；
Ni粉的平均粒径为1.2-1.5μm；
碳纳米管直径10-18nm，长度5-15μm；
氧化铝的平均粒径为400-600nm；
氧化钇的平均粒径为50-70nm。
2.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，WC粉含量为91-95份；和/或，
Co粉含量为4-6份；和/或，
Ni粉含量为0.8-1.5份；和/或，
碳纳米管含量为0.1-0.3份；和/或，
氧化铝含量为0.6-1.2份；和/或，
氧化钇含量为0.08-0.15份。
3.根据权利要求1或2所述的硬质合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)按配方将原料粉末混合后倒入球磨桶中进行湿磨12-36h，球磨介质为无水乙醇，干燥过筛后得到混合粉末；
(2)将混合粉末置于真空烧结炉中，先通入氮气，升温至400-600℃，然后抽真空并继续升温至1400℃以上进行烧结，并保温1-3h；
(3)冷却，真空保护下冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述抽真空并继续升温的温度为1500-1900℃。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述抽真空并继续升温的温度为1600-1800℃。
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