一種鈷包覆型鈦硬質合金材料及其製備方法

2023-09-16 07:05:35

一種鈷包覆型鈦硬質合金材料及其製備方法
【專利摘要】一種鈷包覆型鈦硬質合金材料及其製備方法，涉及合金材料領域，硬質合金的主要成分為碳化鈦、碳化鋁、碳化矽、碳化鈮和包覆的金屬鈷，其中鈦、鋁、矽和鈮在材料中的物質的量比為1：0.05-0.15：0.06-0.18：0.03-0.09；包覆層為鈷納米粒子層，厚度50-200nm。該硬質合金材料的製備方法，是對四種元素的氧化物進行高溫碳化，而後粉碎至相應粒度後，進行Co金屬粒子的包覆，最後經過煅燒製備。本發明提供的鈷包覆型鈦硬質合金材料及其製備方法，是在四種元素碳化物的粉體上包覆一層Co金屬納米粒子層，再通過高溫法使材料成型。成型後的鈦硬質合金材料，不僅具有較高的緻密度，同時具有較高的拉伸強度和韌性。
【專利說明】一種鈷包覆型鈦硬質合金材料及其製備方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於合金【技術領域】，特別涉及一種具有可塑性、機械性能強同時具備較好 強度和韌性的鈷包覆型鈦硬質合金材料及其製備方法。

【背景技術】
[0002] 純鈦機械性能強，可塑性好，易於加工，如有雜質，特別是0、N、C提高鈦的強度和 硬度，但會降低其塑性，增加脆性。同時，鈦是容易鈍化的金屬，且在含氧環境中，其鈍化膜 在受到破壞後還能自行癒合。因此，鈦和鈦合金有優異的耐蝕性，特別是性能穩定，遠優於 不鏽鋼。
[0003] 液態的鈦幾乎能溶解所有的金屬，形成固溶體或金屬化合物等各種合金。合金元 素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善鈦的性能，以適應不同的需要。
[0004] 鑑於鈦及鈦合金優異的性能，鈦享有"未來的金屬"的美稱，鈦合金已廣泛用於國 民經濟各部門。
[0005] 申請號為201310251700. 3的專利文獻"一種鈦合金"，公開了一種鈦合金，所述 合金的組成為（以重量％計）：0.25 %至0.29 %的碳；0· 10 %至L 20 %的錳；0.09 %至 0· 13%的磷；(λ 10%至(λ 19%的碲；(λ 60%至L 00%的銻；彡(λ 09%的鋁；彡(λ 01 %的氮； 0. 45%至 0. 83% 的鉻；0. 04%至 0. 07% 的鈮；< 0. 50% 的銅；0. 25%至 0. 70% 的鑭；0. 2% 至 2. 00% 的鈰；0· 2%至 0· 4% 的釩；0· 0075%至 0· 0095% 的鎢；0· 010%至 0· 050% 的鈦： 其餘為鐵和不可避免的雜質。由此可知，該鈦合金的組分較多，範圍包括到金屬和少量非金 屬，其中鈦的含量較低，〇. 010% -〇. 050%的鈦並不能發揮鈦的優異性能，因此，該合金並不 是"鈦合金"，而是一種多金屬合金，其性能主要是通過添加的多種金屬來實現，並沒有體現 鈦的優良性能。
[0006] 申請號為201310195627. 2的專利文獻"一種碳化釩鈦基硬質合金"，公開了一種 含鈦硬質合金，該合金由以下重量百分數的原料組成：該硬質合金所含元素及各元素的質 量百分比分別為：V，其含量為39. 06-43. 65% ;Ti，其含量為36. 75-41. 08% ;Fe，其含量為 0. 5% -5%;C，其含量為9. 19-10. 27%;餘量是鈷和雜質。該技術方案中為彌補鈷粘結碳化 鎢硬質合金的不足，以碳化釩鈦代替碳化鎢，所以碳化釩鈦基硬質合金彌補了鈷粘結碳化 鎢硬質合金的不足，且經濟上更優越，但雖然具有一定的機械性能，但是硬度和拉伸強度沒 有提高，所以這個硬質合金的硬度和強度均較低。


【發明內容】

[0007] 本發明解決的技術問題：針對現有技術的缺陷，克服現有技術的不足，本發明提供 一種鈷包覆型鈦硬質合金材料及其製備方法。
[0008] 本發明的技術方案：一種鈷包覆型鈦硬質合金材料，硬質合金材料中，主要成分為 碳化鈦、碳化鋁、碳化矽、碳化鈮和包覆的金屬鈷，其中鈦、鋁、矽和鈮在材料中的物質的量 比為：1 :0· 05-0. 15 :0· 06-0. 18 :0· 03-0. 09 ;
[0009] 包覆層為金屬鈷納米粒子層，厚度為50_200nm。
[0010] 作為優選，材料中鈦和鋁的物質的量比為1:0. 8-0. 12。
[0011] 作為優選，材料中鈦和鈮的物質的量比為1:0. 05。
[0012] 作為優選，金屬鈷納米粒子層，厚度為70-120nm。
[0013] 一種鈷包覆型鈦硬質合金材料的製備方法，製備步驟如下：
[0014] (1)根據物質的量比稱取鈦、鋁、矽和鈮的氧化物，混合均勻；
[0015] (2)將混合料放入高溫碳化爐中進行碳化，溫度1800°C -2300°C，時間l_3h ;
[0016] (3)碳化結束後，待冷卻至室溫，將混合料取出，放入研磨機研磨至粉料；
[0017] (4)將粉料放入化學氣相沉積反應室，抽真空至ΙΟ-lOOPa，預熱至600-800°C， 以二茂鈷為前驅體，控制原料的蒸發溫度為130-160°C，通入氬氣，反應室旋轉速率為 30-60r/min，反應時間30-60min，反應結束後，待冷卻至室溫，取出；
[0018] (5)將包覆後的粉體混合均勻後放入模具進行高溫煅燒，溫度8000-1200°C，時間 l-3h，待冷卻至室溫，取出，即得到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
[0019] 作為優選，步驟（3)得到的粉料的平均粒徑為0. 1-lOum。
[0020] 作為優選，步驟（4)化學氣相沉積反應中通入的氦氣的氣體流量為10_50sccm。
[0021] 作為優選，稱取碳化鈦、碳化鋁、碳化矽和碳化鈮粉料，放入球磨機，混合均勻後進 行步驟（4)和步驟（5)，得到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
[0022] 有益效果：本發明提供的鈷包覆型鈦硬質合金材料及其製備方法，選擇鈦、鋁、矽 和鈮為主要成分，並控制鈦、鋁、矽和鈮四種元素的含量，使得鈦硬質合金具有一定的強度 和韌性，同時不尚失可塑性。同時，在四種元素碳化物的粉體上包覆一層Co金屬納米粒子 層，再通過高溫法使材料成型。成型後的材料，四種元素碳化物構成的一個個亞微米級或微 米級的基團，這種基團本身即具備高強度和韌性的特點，在通過Co納米粒子層的包覆和黏 結作用，使得基團本身的性能更趨於穩定，且基團之間相互連接更為緊密，因此，製備的鈦 硬質合金，不僅具有較高的緻密度，同時具有較高的拉伸強度和韌性。

【具體實施方式】
[0023] 為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是 應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特徵和優點，而不是對本發明權利要求的 限制。
[0024] 實施例1 :
[0025] 根據發明提供的製備方法製備鈷包覆型鈦硬質合金材料，步驟如下：
[0026] (1)根據物質的量比稱取鈦、鋁、矽和鈮的氧化物，混合均勻；
[0027] 其中，鈦、鋁、矽和鈮在材料中的物質的量比為1 :0. 05 :0. 06 :0. 03 ;
[0028] (2)將混合料放入高溫碳化爐中進行碳化，溫度2200°C，時間2h ;
[0029] (3)碳化結束後，待冷卻至室溫，將混合料取出，放入研磨機研磨至粉料，平均粒徑 為 0· 5um ;
[0030] (4)將粉料放入化學氣相沉積反應室，抽真空至30Pa，預熱至700°C，以二茂鈷為 前驅體，控制原料的蒸發溫度為135°C，通入氬氣，氬氣的氣體流量為3〇 SCCm，反應室旋轉 速率為30r/min，反應時間45min，反應結束後，待冷卻至室溫，取出；
[0031] 經檢測，粉體材料中包覆的Co金屬納米粒子層的厚度為70nm ;
[0032] (5)將包覆後的粉體混合均勻後放入模具進行高溫煅燒，溫度1100°C，時間2h，待 冷卻至室溫，取出，即得到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
[0033] 實施例2 :
[0034] 根據發明提供的製備方法製備鈷包覆型鈦硬質合金材料，步驟如下：
[0035] (1)根據物質的量比稱取鈦、鋁、矽和鈮的氧化物，混合均勻；
[0036] 其中，鈦、鋁、矽和鈮在材料中的物質的量比為：1 :0. 15 :0. 18 :0. 09 ;
[0037] (2)將混合料放入高溫碳化爐中進行碳化，溫度2200°C，時間3h ;
[0038] (3)碳化結束後，待冷卻至室溫，將混合料取出，放入研磨機研磨至粉料，平均粒徑 為 0· 5um ;
[0039] (4)將粉料放入化學氣相沉積反應室，抽真空至20Pa，預熱至800°C，以二茂鈷為 前驅體，控制原料的蒸發溫度為150°C，通入氬氣，氬氣的氣體流量為3〇 SCCm，反應室旋轉 速率為45r/min，反應時間45min，反應結束後，待冷卻至室溫，取出；
[0040] 經檢測,粉體材料中包覆的Co金屬納米粒子層的厚度為180nm ;
[0041] (5)將包覆後的粉體混合均勻後放入模具進行高溫煅燒，溫度1100°C，時間2h，待 冷卻至室溫，取出，即得到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
[0042] 實施例3 :
[0043] 根據發明提供的製備方法製備鈷包覆型鈦硬質合金材料，步驟如下：
[0044] (1)根據物質的量比稱取鈦、鋁、矽和鈮的氧化物，混合均勻；
[0045] 其中，鈦、鋁、矽和鈮在材料中的物質的量比為：1 :0. 8 :0. 12 :0. 05 ;
[0046] (2)將混合料放入高溫碳化爐中進行碳化，溫度2200°C，時間2h ;
[0047] (3)碳化結束後，待冷卻至室溫，將混合料取出，放入研磨機研磨至粉料，平均粒徑 為 0· 5um ;
[0048] (4)將粉料放入化學氣相沉積反應室，抽真空至50Pa，預熱至700°C，以二茂鈷為 前驅體，控制原料的蒸發溫度為145°C，通入氬氣，氬氣的氣體流量為4〇 SCCm，反應室旋轉 速率為60r/min，反應時間30min，反應結束後，待冷卻至室溫，取出；
[0049] 經檢測，粉體材料中包覆的Co金屬納米粒子層的厚度為；厚度為120nm ;
[0050] (5)將包覆後的粉體混合均勻後放入模具進行高溫煅燒，溫度1100°C，時間2h，待 冷卻至室溫，取出，即得到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
[0051] 實施例4:
[0052] 根據發明提供的製備方法製備鈷包覆型鈦硬質合金材料，步驟如下：
[0053] (1)根據物質的量比稱取鈦、鋁、矽和鈮的氧化物，混合均勻；
[0054] 其中，鈦、鋁、矽和鈮在材料中的物質的量比為：1 :0. 12 :0. 15 :0. 06 ;
[0055] (2)將混合料放入高溫碳化爐中進行碳化，溫度2200°C，時間2. 5h ;
[0056] (3)碳化結束後，待冷卻至室溫，將混合料取出，放入研磨機研磨至粉料；平均粒 徑為lum。
[0057] (4)將粉料放入化學氣相沉積反應室，抽真空至30Pa，預熱至700°C，以二茂鈷為 前驅體，控制原料的蒸發溫度為140°C，通入氬氣，氬氣的氣體流量為3〇 SCCm，反應室旋轉 速率為45r/min，反應時間30min，反應結束後，待冷卻至室溫，取出；
[0058] 經檢測，粉體材料中包覆的Co金屬納米粒子層的厚度為90nm ;
[0059] (5)將包覆後的粉體混合均勻後放入模具進行高溫煅燒，溫度1100°C，時間2h，待 冷卻至室溫，取出，即得到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
[0060] 實施例5 :
[0061] 根據發明提供的製備方法製備鈷包覆型鈦硬質合金材料，步驟如下：
[0062] (1)稱取碳化鈦、碳化鋁、碳化矽和碳化鈮粉料，放入球磨機，混合均勻至平均粒徑 為 2um ;
[0063] (2)將粉料放入化學氣相沉積反應室，抽真空至lOOPa，預熱至700°C，以二茂鈷為 前驅體，控制原料的蒸發溫度為140°C，通入氬氣，氬氣的氣體流量為2〇 SCCm，反應室旋轉 速率為60r/min，反應時間30min，反應結束後，待冷卻至室溫，取出；
[0064] 經檢測，粉體材料中包覆的Co金屬納米粒子層的厚度為IOOnm ;
[0065] (3)將包覆後的粉體混合均勻後放入模具進行高溫煅燒，溫度8000-1200°C，時間 l-3h，待冷卻至室溫，取出，即得到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
[0066] 根據申請號為201310195627. 2的專利文獻"一種碳化釩鈦基硬質合金"公開的技 術方案製備硬質合金，為對照組；將上述實施例和對照組採用維氏硬度壓痕法測試合金的 硬度和斷裂韌性，拉伸法測試材料的強度，結果如表1所示：
[0067] 表1硬質合金的性能測定
[0068]

【權利要求】
1. 一種鈷包覆型鈦硬質合金材料，其特徵在於：硬質合金材料中，主要成分為碳化鈦、 碳化鋁、碳化矽、碳化鈮和包覆的金屬鈷，其中鈦、鋁、矽和鈮在材料中的物質的量比為：1: 0. 05-0. 15 ：0. 06-0. 18 ：0. 03-0. 09 ； 包覆層為金屬鈷納米粒子層，厚度為50-200nm。
2. 根據權利要求1所述的鈷包覆型鈦硬質合金材料，其特徵在於：材料中鈦和鋁的物 質的的量比為1:0. 8-0. 12。
3. 根據權利要求1所述的鈷包覆型鈦硬質合金材料，其特徵在於：材料中鈦和鈮的物 質的的量比為1:0.05。
4. 根據權利要求1所述的鈷包覆型鈦硬質合金材料，其特徵在於：金屬鈷納米粒子層， 厚度為7〇_120nm。
5. -種根據權利要求1-4任一項所述的鈷包覆型鈦硬質合金材料的製備方法，其特徵 在於，製備步驟如下： (1) 根據物質的量比稱取鈦、鋁、矽和鈮的氧化物，混合均勻； (2) 將混合料放入高溫碳化爐中進行碳化，溫度1800°C -2300°C，時間l_3h ; (3) 碳化結束後，待冷卻至室溫，將混合料取出，放入研磨機研磨至粉料； (4) 將粉料放入化學氣相沉積反應室，抽真空至10-100Pa，預熱至600-80(TC，以二 茂鈷為前驅體，控制原料的蒸發溫度為130-160°C，通入氬氣，反應室旋轉速率為30-60r/ min，反應時間30-60min，反應結束後，待冷卻至室溫，取出； (5) 將包覆後的粉體混合均勻後放入模具進行高溫煅燒，溫度8000-1200°C，時間 l-3h，待冷卻至室溫，取出，即得到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
6. 根據權利要求5所述的鈷包覆型鈦硬質合金材料的製備方法，其特徵在於：步驟（3) 得到的粉料的平均粒徑為〇? l-l〇um。
7. 根據權利要求5所述的鈷包覆型鈦硬質合金材料的製備方法，其特徵在於：步驟（4) 化學氣相沉積反應中通入的氦氣的氣體流量為10_50sccm。
8. 根據權利要求5所述的鈷包覆型鈦硬質合金材料的製備方法，其特徵在於：稱取碳 化鈦、碳化鋁、碳化矽和碳化鈮粉料，放入球磨機，混合均勻後進行步驟（4)和步驟（5)，得 到鈷包覆型鈦硬質合金材料。
【文檔編號】C22C29/06GK104313444SQ201410520032
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】翟紅波, 楊振樞, 韋洪屹 申請人:蘇州博利邁新材料科技有限公司