新型碳化鎢複合材料及其製備方法與流程
2023-10-06 22:41:49 1
本發明屬於新材料領域,具體涉及一種新型碳化鎢複合材料及其製備方法。
背景技術:
WC-Co硬質合金,是一種常見的、重要的硬質合金種類(YG系列),廣泛地應用於現代刀具材料、耐磨、耐腐蝕和耐高溫材料領域,有現代工業的牙齒之稱。純WC材料很難燒結緻密,即使燒結緻密,燒結溫度也往往在2000℃以上,如此高的燒結溫度對設備本身也是一種損害,並且燒結後斷裂韌性只有4MPa·m1/2。Co作為WC燒結時的一種粘結相,WC有非常好的潤溼性,同時能使WC燒結溫度降低到1400℃,燒結時Co成為液相,大大增加WC顆粒擴散速率,使燒結緻密,燒結後碳化鎢複合材料通常斷裂韌性為12MPa·m1/2。然而,中國的Co資源極其匱乏,嚴重依賴進口。隨著各國對一些戰略性資源的限制出口,國際Co價格上漲的動力十分強勁,Co原料的供應也存在很多不穩定因素。同時Co作為一種粘結劑,降低了WC材料的硬度,耐腐蝕性和耐高溫性,限制了WC材料在某些極端服役環境下的應用。因此,尋找一種常見的來源廣泛的,並且在WC中不形成粘結相的材料來替代Co,擺脫對國外的依賴,同時提高WC類硬質合金的硬度和高溫性能就顯得非常重要。目前在對無粘結相WC材料的研究中,添加陶瓷相是一種思路,陶瓷材料由於具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優良性能而受到重視,但是由於脆性問題(韌性、塑性低,強度不高,性能穩定性和可控性差)使其應用相當受限。
本發明擬提供一種新型碳化鎢複合材料及其製備方法,選擇新的材料代替Co,製備得到高強度、高耐磨性、低粘結度的碳化鎢複合材料。
技術實現要素:
本發明要解決的技術問題為:現有碳化鎢複合材料難以同時滿足高強度、高耐磨性和低粘度的要求的問題。
本發明解決技術問題的技術方案為:提供一種新型碳化鎢複合材料及其製備方法。
本發明的新型碳化鎢複合材料,其組成包括:按重量份數計,WC 80-82份,Al2O3 4-6份,ZrO2 5-8份,鈷2-4份、二氧化鍺3-6份,鎢粉3-5份。
其中,上述新型碳化鎢複合材料中,其組成還包括,佔其餘原料總量1-3%的鉬粉。
其中,上述新型碳化鎢複合材料中,所述的WC的粒徑為100-150um。
其中,上述新型碳化鎢複合材料中,所述的鈷的粒徑為50-100um。
其中,上述新型碳化鎢複合材料中,所述的鎢粉的純度為99.9%。
本發明還提供一種上述新型碳化鎢複合材料的製備方法,包括以下步驟:
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合,並加熱至500~600℃,保溫15~20min,使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物,再通入氬氣還原,並加熱至650~750℃,保溫10-20min,製得鎢和碳化鎢的複合粉末;
b、將Al2O3,ZrO2,鈷和二氧化鍺按比例稱好後,加入步驟a中所述的複合粉末中,再加入100-150份的乙醇或水,混合球磨15-30min,形成混合漿料;
c、將混合漿料乾燥至水分或乙醇的量≤1%,置於燒結爐中燒結,燒結溫度為1400-1500℃,壓力為40-50MPa,保溫時間為10-15min。
其中,上述新型碳化鎢複合材料的製備方法中,步驟c中所述的燒結溫度要在3-5min內由室溫升至1400-1500℃。
本發明的有益效果為:本發明製備的WC複合材料是一種由Al2O3和ZrO2陶瓷增韌的WC複合材料,具有很高的硬度、耐磨性和抗氧化性能,以及較好的韌性,適合作為刀具、鑽頭或模具材料;由於Al2O3和ZrO2之間、WC和ZrO2之間可形成固溶體,促進複合材料的緻密化,使得該三元複合材料在1400℃燒結時近乎全緻密,實現了在較低溫度下製取緻密的無粘結相WC複合材料,節能高效;本發明還先將WC表面鍍上鎢粉鍍層,能防止粘結相的產生,有效的提高了WC複合材料的耐磨性和韌性。本發明方法操作簡單,原料易得,成本低廉,適宜推廣使用。
具體實施方式
本發明提供了一種新型碳化鎢複合材料,其組成包括:按重量份數計,WC 80-82份,Al2O3 4-6份,ZrO2 5-8份,鈷2-4份、二氧化鍺3-6份,鎢粉3-5份。
其中,上述新型碳化鎢複合材料中,其組成還包括,佔其餘原料總量1-3%的鉬粉。
其中,上述新型碳化鎢複合材料中,所述的WC的粒徑為100-150um。
其中,上述新型碳化鎢複合材料中,所述的鈷的粒徑為50-100um。
其中,上述新型碳化鎢複合材料中,所述的鎢粉的純度為99.9%。
本發明還提供一種上述新型碳化鎢複合材料的製備方法,包括以下步驟:
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合,並加熱至500~600℃,保溫15~20min,使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物,再通入氬氣還原,並加熱至650~750℃,保溫10-20min,製得鎢和碳化鎢的複合粉末;
b、將Al2O3,ZrO2,鈷和二氧化鍺按比例稱好後,加入步驟a中所述的複合粉末中,再加入100-150份的乙醇或水,混合球磨15-30min,形成混合漿料;
c、將混合漿料乾燥至水分或乙醇的量≤1%,置於燒結爐中燒結,燒結溫度為1400-1500℃,壓力為40-50MPa,保溫時間為10-15min。
其中,上述新型碳化鎢複合材料的製備方法中,步驟c中所述的燒結溫度要在3-5min內由室溫升至1400-1500℃。
本發明的新型碳化鎢複合材料中,以碳化鎢為主要原料,配合使用陶瓷材料Al2O3,ZrO2,三者形成穩定的三相結構,結構緻密,增強了複合材料的耐磨性,並且不影響碳化鎢材料本身的硬度;同時,還添加了鈷、二氧化鍺、鎢粉等金屬材料,還可以添加一定量的鉬粉,增強複合材料的耐高溫性能和抗氧化性能,製備的複合材料耐高溫性好、耐磨性強,還避免了粘結相的形成,結構更穩定。
在製備工藝上,本發明先將鎢粉鍍於碳化鎢顆粒的表面,防止了粘結相的產生,有效的穩定了碳化鎢的硬度和耐磨性。
下面通過實施例對本發明的具體實施方式做進一步的解釋說明,但不表示將本發明的保護範圍限制在實施例所述範圍內。
實施例1用本發明方法製備碳化鎢複合材料
所述原料組成為:WC 80份,Al2O3 4份,ZrO2 5份,鈷2份、二氧化鍺3份,鎢粉3份。
製備步驟如下:
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合,並加熱至500℃,保溫15min,使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物,再通入氬氣還原,並加熱至650℃,保溫10min,製得鎢和碳化鎢的複合粉末;
b、將Al2O3,ZrO2,鈷和二氧化鍺按比例稱好後,加入步驟a中所述的複合粉末中,再加入100份的水,混合球磨15min,形成混合漿料;
c、將混合漿料乾燥至水分或乙醇的量≤1%,置於燒結爐中燒結,燒結溫度為1400℃,壓力為40MPa,保溫時間為10min。
實施例2用本發明方法製備碳化鎢複合材料
所述原料組成為:WC 82份,Al2O3 6份,ZrO2 8份,鈷4份、二氧化鍺3份,鎢粉3份。
製備步驟如下:
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合,並加熱至600℃,保溫20min,使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物,再通入氬氣還原,並加熱至750℃,保溫20min,製得鎢和碳化鎢的複合粉末;
b、將Al2O3,ZrO2,鈷和二氧化鍺按比例稱好後,加入步驟a中所述的複合粉末中,再加入150份的乙醇,混合球磨30min,形成混合漿料;
c、將混合漿料乾燥至水分或乙醇的量≤1%,置於燒結爐中燒結,燒結溫度為1500℃,壓力為50MPa,保溫時間為15min。
實施例3用本發明方法製備碳化鎢複合材料
所述原料組成為:WC 80份,Al2O3 6份,ZrO2 8份,鈷4份、二氧化鍺3份,鎢粉5份,鉬粉2份。
製備步驟如下:
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合,並加熱至550℃,保溫18min,使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物,再通入氬氣還原,並加熱至700℃,保溫15min,製得鎢和碳化鎢的複合粉末;
b、將Al2O3,ZrO2,鈷,鉬粉和二氧化鍺按比例稱好後,加入步驟a中所述的複合粉末中,再加入120份的水,混合球磨20min,形成混合漿料;
c、將混合漿料乾燥至水分或乙醇的量≤1%,置於燒結爐中燒結,燒結溫度為1450℃,壓力為45MPa,保溫時間為13min。
實施例4用本發明方法製備碳化鎢複合材料
所述原料組成為:WC 80份,Al2O3 6份,ZrO2 5份,鈷4份、二氧化鍺6份,鎢粉5份。
製備步驟如下:
a、將WC粉末、鎢粉、Al2O3,ZrO2,鈷和二氧化鍺按比例稱好後,加入150份的乙醇,混合球磨20min,形成混合漿料;
b、將混合漿料乾燥至水分或乙醇的量≤1%,置於燒結爐中燒結,燒結溫度為1400℃,壓力為50MPa,保溫時間為15min。
將實施例中製備得到的各複合材料進行性能測定,得到如下表1所示的結果。
表1不同碳化鎢複合材料的性能表
由實施例可知,採用本發明的原料配比和生產工藝相結合,能製備得到結構緻密、硬度高、耐磨性好的碳化鎢複合材料,具有重要的經濟效益。