一種金屬碳化物固溶體的製備方法與流程
2023-12-09 10:19:51 1
本發明是申請號為201610061685.x、申請日2016年01月29日、發明名稱為「微納米碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末及其製備方法」的分案申請。
本發明涉及粉末冶金技術領域,具體涉及一種金屬碳化物固溶複合粉末的製備方法。
背景技術:
金屬碳化物具有較高的熔點、硬度,良好的抗腐蝕、熱穩定性,已廣泛用於工業各個領域,尤其常用於現代製造業的加工材料。金屬陶瓷材料中硬質相ti(c,n))是多晶燒結材料,其致命弱點是脆性大、韌性不足,並且硬質相與粘結相的匹配潤溼問題目前尚未得到解決,致使其強韌性不足,是金屬陶瓷材料實際工程應用中面臨的關鍵難題。因此對高性能金屬陶瓷材料的設計主要方向是克服脆性及提高韌性。目前,通過添加第二類金屬碳化物來改善ti(c,n)與粘結相之間的潤溼性,強化結構,並使相應的金屬元素固溶進硬質相及粘結相中,達到一定的固溶強化目的。碳化鎢(wc)、碳化鉬(mo2c)、碳化鉭(tac)同屬於過渡金屬碳化物,具有較高的硬度、熔點等特點。大量的研究表明,金屬陶瓷中添加適量的wc,可改善粘結相對硬質相的潤溼性,另一方可使硬質相晶粒明顯細化,從而使合金的力學性能提高。而mo或mo2c可改善液相金屬粘結相對tic顆粒的潤溼性,在完全潤溼的條件下,tic顆粒不出現聚集結晶,抑制了燒結時碳化物相晶粒的長大。在金屬陶瓷中添加tac可以明顯的細化硬質相的顆粒,提高材料的耐磨性,抗氧化能力和熱導率,並且能夠提高金屬陶瓷的紅硬性和抗熱衝擊性能,從而提高金屬陶瓷刀具的斷續切削性能。
金屬碳化物的加入方法決定了金屬元素的分布狀態。第二類金屬碳化物的分散添加,容易使金屬陶瓷中各元素分散不均勻,造成重金屬偏析,從而影響整體陶瓷體的結構,達不到固溶強化的目的。試驗表明,按碳、鎢、鉬、鉭的一定比例進行複合,再將碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉添加進金屬陶瓷粉末中,除了上述金屬碳化物的分散強化、潤溼、晶粒細化的作用外,mo、w、ta等金屬元素在燒結溫度下將向tic顆粒均勻擴散,並取代tic晶格中的ti,在tic顆粒表面上形成(ti,w,mo,ta)c固溶體,將減少tic顆粒之間的接觸,防止它們發生聚集長大,使tic基金屬陶瓷晶粒更細,組織更加均勻,對於金屬陶瓷整體性能的提高有顯著作用。因此碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉的製備研究對提高金屬陶瓷性能有重要意義。
技術實現要素:
本發明的目的在於提供一種金屬碳化物固溶體的製備方法,能製備得到微納米級的均勻的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末。
為達到上述目的,本發明提供如下技術方案:
一種金屬碳化物固溶體,它是以鎢、鉬和鉭與碳化合併固溶形成的(w,mo,ta)c固溶複合粉末;所述固溶複合粉末中鎢、鉬、鉭和碳的原子摩爾比為3~5:2~3:1.5~2:6.5~10;所述固溶複合粉末的平均粒徑為80~300nm。
上述金屬碳化物固溶體的製備方法,包括以下步驟:
(1)配料:稱取鎢粉、鉬粉、鉭粉以及石墨粉,並加入稀土re,所述稀土re為鈰族稀土中的至少一種的氧化物;鎢粉、鉬粉、鉭粉以及石墨粉的純度>99.9%,平均粒徑為20~100μm。稀土re的重量佔原料總重量的4%~6%,稀土re的平均粒徑<20μm。
(2)高能球磨固相反應:將步驟(1)配得的原料與碳化鎢球一起裝入不鏽鋼真空球磨罐進行高能球磨;球料比為6~10:1,球磨速度為200~300轉/min,球磨時間為24~48h。
(3)熱化合反應:將步驟(2)得到的反應產物放入高溫氣氛爐中,在氮氫混合氣體氣氛下,於800~900℃條件下進行熱化合反應,得到微納米碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末。熱化合反應時間為60~120min。反應完成後關閉氫氣,在氮氣保護下將得到的微納米碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末冷卻至室溫後,在氮氣保護下真空包裝。
最優選地,一種金屬碳化物固溶體的製備方法,包括以下步驟:
(1)配料:稱取鎢粉850g、鉬粉420g、鉭粉420g以及石墨粉150g,並加入75g氧化鈰粉末;鎢粉、鉬粉、鉭粉以及石墨粉的純度>99.9%,平均粒徑為20~100μm;氧化鈰粉末的平均粒徑<20μm;
(2)高能球磨固相反應:將步驟(1)配得的原料與碳化鎢球一起裝入不鏽鋼真空球磨罐進行高能球磨,球料比為10:1,球磨速度為300轉/min,球磨時間為36h,得到(mo,ta)c固溶體粉與w+c+(w,mo,ta)c混合粉末;
(3)熱化合反應:將步驟(2)得到的反應產物放入高溫氣氛爐中,在氮氫混合氣體氣氛下,於800℃條件下進行熱化合反應60min,得到平均粒徑100nm左右、分布均勻的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末;反應完成後關閉氫氣,在氮氣保護下將得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末冷卻至室溫後,在氮氣保護下真空包裝。
本發明的有益效果在於:
本發明將鎢粉、鉬粉、鉭粉、石墨粉以及稀土re在一起高能球磨固相反應,在高能球磨的機械力的作用下,金屬mo及ta與石墨(c)將發生反應,生成(mo,ta)c固溶體,同時少部分w原子固溶進(mo,ta)c複合物形成(w,mo,ta)c固溶體;然後再結合熱化合反應,鎢粉和石墨粉將完成反應生成wc,且(mo,ta)c將固溶進wc中,完全生成(w,mo,ta)c固溶複合粉末。本發明製備得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末為微納米級且分布均勻。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚,本發明提供如下附圖進行說明:
圖1為實施例1得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末的xrd圖譜。
具體實施方式
下面對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
實施例1
(1)配料:稱取鎢粉850g、鉬粉420g、鉭粉420g以及石墨粉150g,並加入75g氧化鈰粉末;鎢粉、鉬粉、鉭粉以及石墨粉的純度>99.9%,平均粒徑為20~100μm;氧化鈰粉末的平均粒徑<20μm;
(2)高能球磨固相反應:將步驟(1)配得的原料與碳化鎢球一起裝入不鏽鋼真空球磨罐進行高能球磨,球料比為10:1,球磨速度為300轉/min,球磨時間為36h,得到(mo,ta)c固溶體粉與w+c+(w,mo,ta)c混合粉末;
(3)熱化合反應:將步驟(2)得到的反應產物放入高溫氣氛爐中,在氮氫混合氣體氣氛下,於800℃條件下進行熱化合反應60min,得到平均粒徑100nm左右、分布均勻的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末;反應完成後關閉氫氣,在氮氣保護下將得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末冷卻至室溫後,在氮氣保護下真空包裝。
圖1為實施例1得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末的xrd圖譜,圖1表明,實施例1得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末為鎢、鉬和鉭與碳化合併固溶形成的(w,mo,ta)c固溶體。
實施例2
(1)配料:稱取鎢粉1050g、鉬粉410g、鉭粉510g以及石墨粉130g,並加入90g氧化鈰粉末;鎢粉、鉬粉、鉭粉以及石墨粉的純度>99.9%,平均粒徑為20~100μm;氧化鈰粉末的平均粒徑<20μm;
(2)高能球磨固相反應:將步驟(1)配得的原料與碳化鎢球一起裝入不鏽鋼真空球磨罐進行高能球磨,球料比為6:1,球磨速度為200轉/min,球磨時間為24h,得到(mo,ta)c固溶體粉與w+c+(w,mo,ta)c混合粉末;
(3)熱化合反應:將步驟(2)得到的反應產物放入高溫氣氛爐中,在氮氫混合氣體氣氛下,於900℃條件下進行熱化合反應120min,得到平均粒徑300nm左右、分布均勻的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末;反應完成後關閉氫氣,在氮氣保護下將得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末冷卻至室溫後,在氮氣保護下真空包裝。
實施例3
(1)配料:稱取鎢粉1150g、鉬粉360g、鉭粉450g以及石墨粉140g,並加入90g氧化鈰粉末;鎢粉、鉬粉、鉭粉以及石墨粉的純度>99.9%,平均粒徑為20~100μm;氧化鈰粉末的平均粒徑<20μm;
(2)高能球磨固相反應:將步驟(1)配得的原料與碳化鎢球一起裝入不鏽鋼真空球磨罐進行高能球磨,球料比為9:1,球磨速度為300轉/min,球磨時間為36h,得到(mo,ta)c固溶體粉與w+c+(w,mo,ta)c混合粉末;
(3)熱化合反應:將步驟(2)得到的反應產物放入高溫氣氛爐中,在氮氫混合氣體氣氛下,於850℃條件下進行熱化合反應90min,得到平均粒徑200nm左右、分布均勻的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末;反應完成後關閉氫氣,在氮氣保護下將得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末冷卻至室溫後,在氮氣保護下真空包裝。
最後說明的是,以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制,儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述,但本領域技術人員應當理解,可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變,而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。