一種cBN增韌WC復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種cBN增韌WC復(fù)合材料及其制備方法。所述復(fù)合材料由99.75～99.99wt.％的WC，0.01～0.25wt.％的cBN以及不可避免的微量雜質(zhì)組成。所述制備方法為：將WC粉體、cBN和有機(jī)溶劑置于球磨機(jī)中進(jìn)行濕式球磨，制得球磨漿料；將球磨漿料干燥除去溶劑后過(guò)篩，獲得顆粒尺寸≤300μm的復(fù)合粉末；然后將復(fù)合粉末置于模具中燒結(jié)固化成形，得到無(wú)粘結(jié)相的cBN增韌WC復(fù)合材料。本發(fā)明復(fù)合材料是一種由cBN增韌的不含有任何金屬粘結(jié)相的WC復(fù)合材料，具有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性能以及較好的韌性，適合作為刀具材料或者模具材料。
【專利說(shuō)明】
-種cBN増初WC復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種CBN增初WC復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] WC-Co硬質(zhì)合金，是一種常見(jiàn)的、重要的硬質(zhì)合金種類(YG系列），廣泛地應(yīng)用于現(xiàn) 代刀具材料、耐磨、耐腐蝕和耐高溫材料領(lǐng)域，有現(xiàn)代工業(yè)的牙齒之稱。純WC材料很難燒結(jié) 致密，即使燒結(jié)致密，燒結(jié)溫度也往往在2000°C W上，如此高的燒結(jié)溫度對(duì)設(shè)備本身也是一 種損害，并且燒結(jié)后斷裂初性只有~4M化.mi/2Xo作為WC燒結(jié)時(shí)的一種粘結(jié)相，對(duì)WC有非 常好的潤(rùn)濕性，同時(shí)能使WC燒結(jié)溫度降低到~1400°C，燒結(jié)時(shí)Co成為液相，大大增加 WC顆粒 擴(kuò)散速率，使燒結(jié)致密，燒結(jié)后碳化鶴復(fù)合材料通常斷裂初性在~12MPa . ml/2。然而，Co資 源的在世界的分布十分不均衡，中國(guó)的Co資源極其匿乏，嚴(yán)重依賴進(jìn)口，使得Co原料的供應(yīng) 也存在很多不穩(wěn)定因素。同時(shí)Co作為一種粘結(jié)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(huán)境下的應(yīng)用。因此，尋找一種常見(jiàn)的來(lái)源廣泛的非粘結(jié) 相的材料來(lái)替代Co,擺脫對(duì)國(guó)外的依賴，同時(shí)提高WC類硬質(zhì)合金的硬度和高溫性能就顯得 非常重要。
[0003] 目前在對(duì)無(wú)粘結(jié)相WC材料的研究中，常采用兩種手段來(lái)提高其斷裂初性。一是通 過(guò)晶粒細(xì)化的方式，能夠同時(shí)起到改善硬度和斷裂初性的效果；二是添加陶瓷相顆粒/纖 維，或者陶瓷相的相變來(lái)改善其斷裂初性。cBN(立方氮化棚）是一種高硬度的類金剛石材 料，常用于制造刀具和磨料。但目前尚未有采用CBN顆粒增初WC復(fù)合材料的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決W上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種cBN 增初WC復(fù)合材料。
[0005] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述CBN增初WC復(fù)合材料的制備方法。
[0006] 本發(fā)明目的通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種cBN增初WC復(fù)合材料，由 99.75~99.99wt. % 的WC，0.01 ~0.25wt. % 的cBN W 及不可避免的微量雜質(zhì)組成。
[000引上述cBN增初WC復(fù)合材料的制備方法，包括W下制備步驟：
[0009] (1)將WC粉體、cBN和有機(jī)溶劑置于球磨機(jī)中進(jìn)行濕式球磨，制得球磨漿料；
[0010] (2)將球磨漿料干燥除去溶劑后過(guò)篩，獲得顆粒尺寸《300WI1的復(fù)合粉末；
[0011] (3)將步驟(2)所得復(fù)合粉末置于模具中燒結(jié)固化成形，得到無(wú)粘結(jié)相的CBN增初 WC復(fù)合材料。
[0012] 優(yōu)選地，步驟(1)中所述的有機(jī)溶劑為乙醇。
[0013] 優(yōu)選地，步驟(2)中所述的干燥是指干燥至溶劑殘余質(zhì)量《1%。
[0014] 優(yōu)選地，步驟(3)中所述的燒結(jié)是指采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié);具體燒結(jié) 條件如下：
[0015] 燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流；
[0016] 燒結(jié)壓力：30~50MPa;
[0017]燒結(jié)氣氛:低真空《6化；
[001引升溫速率:50~300 °C/min;
[0019] 燒結(jié)溫度:1650 ~1850°C;
[0020] 保溫時(shí)間：0~lOmin。
[0021] 本發(fā)明的制備方法及所得復(fù)合材料具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0022] (1)本發(fā)明采用粒徑較細(xì)的WC粉體并添加微量cBN制備了 cBN增初WC復(fù)合材料;細(xì) 小的WC晶粒和cBN的顆粒增初機(jī)制在有助于提高基體材料初性的同時(shí)，保持基體材料本身 的高硬度；
[0023] (2)本發(fā)明制備的WC復(fù)合材料是一種由cBN增初的不含有任何金屬粘結(jié)相的WC復(fù) 合材料，它具有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性能W及較好的初性，適合作為刀具材料或者 模具材料；
[0024] (3)本發(fā)明制備的WC復(fù)合材料不含有Co,與傳統(tǒng)WC-Co硬質(zhì)合金相比，它不僅可W 降低成本，還可W節(jié)約稀缺而且具戰(zhàn)略性的Co資源，更為重要的是，本發(fā)明所使用的CBN已 經(jīng)較好的商業(yè)化，來(lái)源廣泛。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為實(shí)施例1所得cBN增初WC復(fù)合材料的XRD譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。
[0027] 實(shí)施例1
[00%]本實(shí)施例的一種cBN增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0029] (1)將99.9g WC(0.2皿，純度>99.9 %，徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司），0.1 gcBN (0. Ιμπι，純度>99.9%，廣州克思曼研磨有限公司），倒入250ml硬質(zhì)合金罐中，再加入乙醇作 為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3)，得到混合漿料;將裝有混合漿料的 球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨（轉(zhuǎn)速18化/min,球磨時(shí)間為30h)，得到球磨漿 料；
[0030] (2)將球磨漿料置于真空干燥箱中干燥至溶劑殘余量《1%，取出烘干后的粉末娠 碎、過(guò)篩，獲得顆粒尺寸《300WI1的復(fù)合粉末；
[0031] (3)取2?復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑020的四和外徑050 mm的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均W石墨紙隔開(kāi)W便脫模，凹模外還包覆一層lOmm厚的石墨拉W 減少熱福射損耗;將裝有復(fù)合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到無(wú) 粘結(jié)相CBN增初WC復(fù)合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（《6Pa)，燒結(jié)壓力為30MPa，升溫速率為100°C/min，測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫（>570 °C)，燒結(jié)溫度為1700°C，保溫時(shí)間Omin。
[0032] 本實(shí)施例所得CBN增初WC復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量其阿基米德法測(cè)試后計(jì)算得到相對(duì)密度 為98.1%;采用維氏硬度計(jì)并設(shè)定載荷10kg力測(cè)試硬度，硬度為HVi〇24.7GPa;根據(jù)維氏硬度 壓痕，采用壓痕法計(jì)算得到斷裂初性7.8Mpa · ml/2。
[0033] 本實(shí)施例所得cBN增初WC復(fù)合材料的XRD譜圖如圖1所示，圖中所出現(xiàn)衍射峰均為 WC相。
[0034] 實(shí)施例2
[0035] 本實(shí)施例的一種cBN增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0036] 步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同；
[0037] (3)取2?復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑020 mm和外徑050 mm的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均W石墨紙隔開(kāi)W便脫模，凹模外還包覆一層10mm厚的石墨拉W 減少熱福射損耗;將裝有復(fù)合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到無(wú) 粘結(jié)相CBN增初WC復(fù)合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（《6Pa)，燒結(jié)壓力為30MPa，升溫速率為100°C/min，測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫（>570 °C)，燒結(jié)溫度為1700°C，保溫時(shí)間1 Omin。
[0038] 本實(shí)施例所得cBN增初WC復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.9 %，硬度為HVio 24.5G化，斷裂初性7.95Mpa · mi/2。
[0039] 實(shí)施例3
[0040] 本實(shí)施例的一種cBN增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0041] 步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同；
[0042] (3)取2?復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑020 mm和外徑050 mm的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均W石墨紙隔開(kāi)W便脫模，凹模外還包覆一層10mm厚的石墨拉W 減少熱福射損耗;將裝有復(fù)合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到無(wú) 粘結(jié)相cBN增初WC復(fù)合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（《6化），燒結(jié)壓力為50MPa，升溫速率為300°C/min，測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫杉570 °C)，燒結(jié)溫度為1800 °C，保溫時(shí)間Omin。
[0043] 本實(shí)施例所得cBN增初WC復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.5%，硬度為HVio 24.9GPa，斷裂初性7.66Mpa · mi/2。
[0044] 實(shí)施例4
[0045] 本實(shí)施例的一種cBN增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0046] 步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同；
[0047] (3)取28g復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑0孤mm和外徑050 mm的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均W石墨紙隔開(kāi)W便脫模，凹模外還包覆一層lOmm厚的石墨拉W 減少熱福射損耗;將裝有復(fù)合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到無(wú) 粘結(jié)相CBN增初WC復(fù)合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（《6Pa)，燒結(jié)壓力為30MPa，升溫速率為100°C/min，測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫（>570 °C)，測(cè)溫聚焦點(diǎn)位于模具外壁中屯、孔底部，離模具內(nèi)壁7.5mm處，燒結(jié)溫度為1800°C，保溫 時(shí)間5min。
[0048] 本實(shí)施例所得cBN增初WC復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.7 %，硬度為HVio 25.2GPa，斷裂初性7.58Mpa · mi/2。
[0049] 實(shí)施例5
[0050] 本實(shí)施例的一種cBN增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0051] 步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同；
[0化2] (3)取28g復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑020化的和外徑0:50 .腳打的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均W石墨紙隔開(kāi)W便脫模，凹模外還包覆一層10mm厚的石墨拉W 減少熱福射損耗;將裝有復(fù)合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到無(wú) 粘結(jié)相cBN增初WC復(fù)合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（《6Pa)，燒結(jié)壓力為50MPa，升溫速率為100°C/min，測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫（>570 °C)，測(cè)溫聚焦點(diǎn)位于模具外壁中屯、孔底部，離模具內(nèi)壁7.5mm處，燒結(jié)溫度為1800°C，保溫 時(shí)間Omin。
[0053]本實(shí)施例所得cBN增初WC復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.5%，硬度為HVio 24.8GPa，斷裂初性7.74Mpa · mi/2。
[0054] 實(shí)施例6
[0055] 本實(shí)施例的一種cBN增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0056] 步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同；
[0化7] (3)取2?復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑020 mm和外徑050 mm的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均W石墨紙隔開(kāi)W便脫模，凹模外還包覆一層10mm厚的石墨拉W 減少熱福射損耗;將裝有復(fù)合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到無(wú) 粘結(jié)相cBN增初WC復(fù)合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（《6Pa)，燒結(jié)壓力為30MPa，升溫速率為100°C/min，測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫（>570 °C)，測(cè)溫聚焦點(diǎn)位于模具外壁中屯、孔底部，離模具內(nèi)壁7.5mm處，燒結(jié)溫度為1850°C，保溫 時(shí)間5min。
[005引本實(shí)施例所得cBN增初復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.2%，硬度為HVio 25.3GPa，斷裂初性7.46Mpa · ffli/2。
[0化9] 實(shí)施例7
[0060] 本實(shí)施例的一種cBN增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0061] 步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同；
[0062] (3)取2?復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑020抑m和外徑050班m的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均W石墨紙隔開(kāi)W便脫模，凹模外還包覆一層lOmm厚的石墨拉W 減少熱福射損耗;將裝有復(fù)合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到無(wú) 粘結(jié)相cBN增初WC復(fù)合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（《6Pa)，燒結(jié)壓力為50MPa，升溫速率為50°C/min，測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫（>570°C)， 測(cè)溫聚焦點(diǎn)位于模具外壁中屯、孔底部，離模具內(nèi)壁7.5mm處，燒結(jié)溫度為1850°C，保溫時(shí)間 0min〇
[0063] 本實(shí)施例所得cBN增初WC復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.8 %，硬度為HVio 24.4GPa，斷裂初性7.42Mpa · mi/2。
[0064] 實(shí)施例8
[0065] 本實(shí)施例的一種cBN增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0066] (1)將99.99g WC(0 .化m，純度>99.9%，徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司），0 . Olg cBN(0.1皿，純度>99.9%，廣州克思曼研磨有限公司），倒入250ml硬質(zhì)合金罐中，再加入乙 醇作為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3)，得到混合漿料;將裝有混合漿 料的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨(轉(zhuǎn)速18化/min,球磨時(shí)間為30h)，得到球磨 漿料；
[0067] 步驟(2)~(3)與實(shí)施例1相同。
[0068] 本實(shí)施例所得cBN增初WC復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.9 %，硬度為HVio 24.8GPa，斷裂初性7.5Mpa · mi/2。
[0069] 實(shí)施例9
[0070] 本實(shí)施例的一種CNTs增初WC復(fù)合材料，通過(guò)如下方法制備：
[0071] (1)將99.75g WC(0 .化m，純度>99.9%，徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司），0.25g cBN(0.1皿，純度>99.9%，廣州克思曼研磨有限公司），倒入250ml硬質(zhì)合金罐中，再加入乙 醇作為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3)，得到混合漿料;將裝有混合漿 料的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨(轉(zhuǎn)速18化/min,球磨時(shí)間為30h)，得到球磨 漿料；
[0072] 步驟(2)~(3)與實(shí)施例1相同。
[0073] 本實(shí)施例所得cBN增初WC復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.8 %，硬度為HVio 24.5G化，斷裂初性7.96Mpa · mi/2。
[0074] 上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的 限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種CBN增韌WC復(fù)合材料，其特征在于：所述復(fù)合材料由99.75~99.99wt. %的WC， 0.01~0.25wt.%的cBN以及不可避免的微量雜質(zhì)組成。2. 權(quán)利要求1所述的一種cBN增韌WC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下制備步 驟： (1) 將WC粉體、cBN和有機(jī)溶劑置于球磨機(jī)中進(jìn)行濕式球磨，制得球磨漿料； (2) 將球磨漿料干燥除去溶劑后過(guò)篩，獲得顆粒尺寸<300μπι的復(fù)合粉末； (3) 將濕磨復(fù)合粉末置于模具中燒結(jié)固化成形，得到無(wú)粘結(jié)相的cBN增韌WC復(fù)合材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種cBN增韌WC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟（1)中 所述的有機(jī)溶劑為乙醇。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種cBN增韌WC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中 所述的干燥是指干燥至溶劑殘余質(zhì)量%。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種cBN增韌WC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中 所述的燒結(jié)是指采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié);具體燒結(jié)條件如下： 燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流； 燒結(jié)壓力：3〇~5〇MPa; 燒結(jié)氣氛:低真空<6Pa; 升溫速率:50~300 °C/min; 燒結(jié)溫度：1650~1850 °C; 保溫時(shí)間:0~lOmin。
【文檔編號(hào)】C04B35/56GK106083113SQ201610457522
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】李小強(qiáng), 曹廷, 屈盛官, 李京懋, 夏曉建, 梁良, 伍尚華
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)