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。