專利名稱：一種碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐磨材料領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的耐磨性要求越來越高，冶金、礦山、建材、電力、化工、農(nóng)業(yè)、煤炭以及石油鉆探行業(yè)所需的各種設(shè)備常受到各種介質(zhì)的磨損，每年消耗大量的金屬和能量。而磨損也成為機(jī)械零件失效的主要原因之一。由磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)驚人，發(fā)達(dá)國家近20年對(duì)機(jī)電設(shè)備的摩擦磨損調(diào)查結(jié)果顯示，每年由材料失效所造成的損失都在上千億美元。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年因磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失都在1000億人民幣以上，僅磨料磨損每年就消耗300多萬噸金屬耐磨材料，而且還以15%的速度在增長。因此高壽命耐磨材料的研制和應(yīng)用關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的長期穩(wěn)定發(fā)展。近年來，許多專家學(xué)者對(duì)顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備工藝、組織結(jié)構(gòu)及性能尤其是耐磨性能做了大量研究。在鐵基復(fù)合材料的研究方面，其重點(diǎn)主要集中在通過加入硬陶瓷增強(qiáng)顆粒制備耐磨鑄件上。而對(duì)于鋼基復(fù)合材料，主要集中在通過不同的碳化物增強(qiáng)工具鋼和高速鋼的研究方面，其中碳化物包括TiC、WC、VC、NbC、Cr3C2等，另外Al2O3和TW2 增強(qiáng)不銹鋼基復(fù)合材料的研究也有所報(bào)道。眾多的研究表明，材料性能可以通過顆粒增強(qiáng)方式得到很大的提高。Tjong等發(fā)現(xiàn)在奧氏體不銹鋼基體中加入TB2顆?？梢燥@著提高材料的滑動(dòng)磨損性能，并且隨著磨損法向載荷和磨損速度的增加，其體積磨損量呈下降趨勢(shì)， 材料的耐磨性能提高，可能是由于隨著載荷的增加，表面變形層得到硬化，顯微硬度增加所致；Zhou Rong等利用負(fù)壓鑄滲法制備了碳化鎢顆粒增強(qiáng)鐵基表面復(fù)合材料，并對(duì)制得的復(fù)合材料的沖蝕磨損性能及磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著WC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加， 材料的耐磨性先增加后降低，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為36%時(shí)，材料具有較好的耐磨性，其磨損機(jī)理為碳化鎢顆粒對(duì)基體的“屏蔽效應(yīng)”和基體對(duì)碳化鎢顆粒的“支撐效應(yīng)”；最近，K. Van Acker 等利用激光熔覆法制備了 WC/M基涂層，并對(duì)材料的二體磨料磨損性能進(jìn)行了研究，得出了碳化物顆粒的體積分?jǐn)?shù)和分布對(duì)材料磨損性能的影響規(guī)律。此外，顆粒增強(qiáng)其它金屬基復(fù)合材料的也得到了迅速的發(fā)展，主要集中在以Al203、Mg0、SiC、WC、SiN4、AlN等氧化物、碳化物、氮化物為增強(qiáng)相用于Al、Cu、Ti、Ni和Mg等金屬基體的研究，并取得了重大的突破， 以有色合金為基體的復(fù)合材料的應(yīng)用越趨于廣泛，美國的Trident導(dǎo)彈上采用49%SiCp增強(qiáng)6061A1復(fù)合材料制造萬向接頭部件，美國武器研究中心采用17%SiCp/2124復(fù)合材料制造了導(dǎo)彈的尾翼。陶瓷增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料已經(jīng)在管道上得到了應(yīng)用，同時(shí)非常有潛力在航空領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用。同樣顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料也具備較好的應(yīng)用前景，已被用于燃燒裝置的推桿。增強(qiáng)體和基體結(jié)合的界面結(jié)合情況是影響復(fù)合材料性能的主要因素，良好的潤濕性、相容性是增強(qiáng)顆粒選擇的主要依據(jù)之一。WC和很多金屬包括鐵、銅、鋁、鎳、鈷等具有良好的潤濕性能，因此被用作金屬材料的顆粒增強(qiáng)相，用于改善金屬材料的耐磨性能。但是鎢屬于稀有金屬，鎢礦是不可再生的緊缺戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，單純使用WC增強(qiáng)金屬基體，成本較高，且不利于可持續(xù)發(fā)展，因此新型金屬材料復(fù)合添加劑的開發(fā)具有顯著的社會(huì)效益。而SiC具有一系列優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于磨料磨具、切割刃料、高級(jí)耐火材料、加熱元件、功能陶瓷和半導(dǎo)體等領(lǐng)域；同時(shí)Si作為地殼中含量最多的元素，儲(chǔ)量豐富， 成本低廉。曹玉等用SiC晶須增強(qiáng)WC，得到的復(fù)合陶瓷的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性、維氏硬度分別提高50%、30% 40%和10% 15%，但是存在的缺點(diǎn)是SiC晶須不易分散，和WC組分混合的均勻性不易控制。中國專利文獻(xiàn)CN 101823882A中公開了一種碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料及制備方法，但其生產(chǎn)成本較高，工藝較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能改善碳化硅和金屬基體的相容性的碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料，并提供了一種工藝較簡單、成本較低的碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
以不同粒徑的碳化硅顆粒，以及偏鎢酸銨、鎢酸銨、鎢酸鈉等含鎢試劑為原料，首先對(duì) SiC酸處理，使其具有較高的活性，并在其表面形成親水基團(tuán)，有利于鎢源中的W — 0八面體在SiC表面附著，此外在一定溫度下、酸性條件中攪拌5 20 h，在這一過程，保證了鎢源和碳化硅分布均勻，充分接觸，有利于鎢氧八面體在碳化硅表面進(jìn)行包裹和鎢酸形核；在室溫 100°C下保溫有利于鎢酸在碳化硅表面長大；在空氣中于300 600°C煅燒得到WO3/ SiC復(fù)合粉體；在C0/0)2氣氛下碳化最終得到WC/ SiC復(fù)合粉體。具體的碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料的制備方法如下
(1)SiC活化取粒徑為0 15μ m的碳化硅浸泡于1 14 mol/L的濃硝酸中，酸化處理1 10 h后，以蒸餾水將酸洗滌干凈；
(2)酸沉淀取含鎢試劑配制成含W元素濃度為0.1 1 mol/L的水溶液，將上步所得SiC顆粒加入到該含鎢溶液中，并使SiC和W元素的摩爾比在1 5 5 1之間，超聲分散 0. 5 2 h，室溫下再將濃度為0. 5 2 mol/L的硝酸溶液緩慢的滴加入到該混合溶液中， 在室溫 100°C下攪拌反應(yīng)2 M h，然后于80 100°C水浴反應(yīng)至水分蒸干，將得到的粉末于100°C真空干燥5 20 h，得前驅(qū)體；
(3)W03/SiC制備上步所得前驅(qū)體在空氣中于300 600°C下煅燒0. 5 5 h，得到 W03/SiC復(fù)合粉體；
(4)碳化將上步所得W03/SiC復(fù)合粉體置于氣氛爐中，先以10 100ml/min的流量通(X)2氣體洗爐0. 5 2h，再以50 200ml/min的流量通(X)2和CO的混合氣體，其中(X)2 CO 的體積比為0 < 1:10，同時(shí)以2 50°C /min的升溫速率加熱至700 900°C，保溫2 IOh,再自然冷卻至室溫，即得WC/SiC復(fù)合粉體。所述含鎢試劑為偏鎢酸銨、鎢酸銨、鎢酸鈉、鎢酸、氯化鎢、磷酸鎢中的至少一種。所述碳化鎢/碳化硅復(fù)合粉體的密度在5 15 g/cm3之間可控。本發(fā)明具有積極有益的效果
本發(fā)明是用WC包裹SiC的方法，可以改善碳化硅和金屬基體的相容性，在保證所得材料耐磨耐高溫等性能的前提下，拓寬了 SiC的適用范圍，減少貴金屬W的用量，所得的復(fù)合粉體可以作為金屬添加劑用于增強(qiáng)金屬基體的耐磨性，較大程度的降低了金屬基體磨損， 進(jìn)而有效的降低了生產(chǎn)成本。


圖1為實(shí)施例1中所得W03/SiC復(fù)合粉體的X射線衍射圖； 圖2為實(shí)施例1中所得W03/SiC復(fù)合粉體的SEM圖3為實(shí)施例1中所得W03/SiC復(fù)合粉體的SEM圖； 圖4為實(shí)施例1中所得W03/SiC復(fù)合粉體的SEM圖5為實(shí)施例1中所得W03/SiC復(fù)合粉體EDS圖(注Au是檢測(cè)時(shí)為提高試樣導(dǎo)電性而噴涂引入的)；
圖6為實(shí)施例1中所得WC/SiC復(fù)合粉體的X射線衍射圖； 圖7為實(shí)施例1中所得WC/SiC復(fù)合粉體的SEM圖； 圖8為實(shí)施例1中所得WC/SiC復(fù)合粉體的SEM圖； 圖9為實(shí)施例1中所得WC/SiC復(fù)合粉體的FE-SEM圖； 圖10為實(shí)施例2中所得W03/SiC復(fù)合粉體的X射線衍射圖； 圖11為實(shí)施例2中所得W03/SiC復(fù)合粉體的SEM圖； 圖12為實(shí)施例2中所得W03/SiC復(fù)合粉體的EDS圖； 圖13為實(shí)施例2中所得WC/SiC復(fù)合粉體的X射線衍射圖； 圖14為實(shí)施例2中所得WC/SiC復(fù)合粉體的SEM圖； 圖15為實(shí)施例3中所得WC/SiC復(fù)合粉體的X射線衍射圖； 圖16為實(shí)施例3中所得WC/SiC復(fù)合粉體的SEM圖； 圖17為實(shí)施例3中所得WC/SiC復(fù)合粉體的SEM圖； 圖18為實(shí)施例4中所得WC/SiC復(fù)合粉體的X射線衍射圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。下述實(shí)施例中的試驗(yàn)方法，如無特別說明，均為常規(guī)方法；下述實(shí)施例中所用的試驗(yàn)材料及試劑，如無特別說明，均購自常規(guī)化學(xué)試齊Ll商店。實(shí)施例1 一種碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料的制備方法
稱取粒徑小于IMm的碳化硅3. 00 g (0. 075 mol)，將碳化硅浸泡于14mol/L的濃硝酸中，酸化處理3 h，經(jīng)蒸餾水將硝酸洗滌干凈。然后稱取16. 20 g偏鎢酸銨，將其溶于200 ml 蒸餾水中，配制成含W元素濃度為0.3 mol/L的溶液。將酸處理后的SiC顆粒加入到偏鎢酸銨溶液中，并超聲分散30 min0在室溫下，用分液漏斗將100 ml濃度為1 mol/L的硝酸溶液緩慢的滴加入到含SiC的偏鎢酸銨溶液中，攪拌10 h，然后于80°C水浴反應(yīng)至水分蒸干，將得到的粉末于100°C下真空干燥10 h，得到16. 52 g前驅(qū)體；將5. 03 g前驅(qū)體在空氣中于400°C下煅燒1 11，得到恥3/^(復(fù)合粉體4.61 g，圖1中所示為其XRD圖，從中可以看出產(chǎn)物的主晶相是 WO3 (JCPDS card No. 20-1323)和 SiC (JCPDS card No.四-1131)，由于煅燒溫度較低，時(shí)間較短，所以還有部分結(jié)晶水殘留，掃描照片如圖2 4所示，產(chǎn)物為粒徑約10 μ m的六面體或八面體，圖5為該樣品的能譜圖，從圖中可以看出產(chǎn)物中主要元素是W、Si、C、0，少量的Au是由制樣時(shí)為了改善樣品的導(dǎo)電性而引入的；取2. 02 g W03/SiC 復(fù)合粉體置于氧化鋁坩堝中，放入石英管式氣氛爐中，先以80 ml/min的流量通CO2氣體洗爐1 h，再通(X)2和CO的混合氣體(C02:C0=1:10，體積比)并且開始升溫，以10°C /min的速率加熱至800°C保溫8 h，自然冷卻至室溫，得到1. 78 g WC/SiC復(fù)合粉體，XRD圖見圖6， 所得產(chǎn)物的主晶相為 WC (JCPDS card No. 51-0939)和 SiC (JCPDS card No. 29-1131), 圖7 9為產(chǎn)物的掃描照片，可以看出WC/SiC復(fù)合粉體和W03/SiC復(fù)合粉體的形貌相似， 均為許多小顆粒堆積成的IOym左右的六面體或八面體。用比重瓶法測(cè)得復(fù)合粉體的密度為6. 5 g/cm3。將所得WC/SiC復(fù)合粉體和Cu粉以體積比5:95混合，用粉末冶金的方法得到致密度達(dá)到99%的Cu基復(fù)合材料，其硬度為98 HV,電阻率為2. 25 X 10_8 Ω · m,抗彎強(qiáng)度為 400 MPa。實(shí)施例2 —種碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料的制備方法
稱取于10 mol/L的濃硝酸中酸化處理3 h(經(jīng)蒸餾水將硝酸洗滌干凈)的粒徑小于1 Mm 的碳化硅 0.28 g (0.007 mol)，偏鎢酸銨 3. 77 g (含 W 0. 014mol)，濃硝酸 2 ml (14 mol/ L)，蒸餾水63 ml，超聲分散60 min(45 HZ, 300 W，功率60%)。然后于50°C水浴反應(yīng)至水分蒸干，得到前驅(qū)體4. llg，取3. 02 g于500°C煅燒1 h，得到2. 73 g W03/SiC復(fù)合粉體，XRD圖見圖 10，可以看出產(chǎn)物的主晶相是 W03( JCPDS card No. 20-1323)和 SiC(JCPDS card No. 四-1131)，掃描照片如圖11所示，產(chǎn)物為粒徑約10 20 μ m的團(tuán)聚體，圖12為該樣品的能譜圖，從圖中可以看出產(chǎn)物中主要元素是W、Si、C、0，少量的Au是由制樣時(shí)為了改善樣品的導(dǎo)電性而引入的；取1.98 g W03/SiC復(fù)合粉體置于氧化鋁坩堝中，放入石英管式氣氛爐中， 先以80 ml/min的流量通(X)2氣體洗爐1 h，再通(X)2和CO的混合氣體(C02:CO=I 10，體積比)并且開始升溫，以10°C /min的速率加熱至800°C保溫8 h，自然冷卻至室溫，得到1. 65 g WC/SiC復(fù)合粉體，XRD圖見圖13，所得產(chǎn)物的主晶相為WC (JCPDS card No. 51-0939) 和SiC(JCPDS card No. 29-1131)，圖14為產(chǎn)物的掃描照片，可以看出WC/SiC復(fù)合粉體和 W03/SiC復(fù)合粉體的形貌相似，均為10 20 μ m左右的團(tuán)聚體。用比重瓶法測(cè)得復(fù)合粉體的密度為8.3 g/cm3。將所得WC/SiC復(fù)合粉體和！^粉以體積比5:95混合，用粉末冶金的方法得到致密度達(dá)到98. 5%的！^基復(fù)合材料，其硬度為65 HRC，抗彎強(qiáng)度為M8 MPa0實(shí)施例3 —種碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料的制備方法
稱取于濃硝酸(1 mol/L)中酸化處理3 h (經(jīng)蒸餾水將硝酸洗滌干凈)的粒徑小于IMffl 的碳化硅 1.12 g (0. 028mol)，偏鎢酸銨 3. 77 g (含 W 0. 014mol)，濃硝酸 ^il (14mol/L), 蒸餾水63 ml，超聲分散60 min(45HZ，300W，60%)。然后于80°C水浴反應(yīng)至水分蒸干，得到前驅(qū)體4. 79 g，取3. 51 g于500°C煅燒1 h，得到3. 26 g W03/SiC復(fù)合粉體，取2. 49 g WO3/ SiC復(fù)合粉體置于氧化鋁坩堝中，放入石英管式氣氛爐中，先以80 ml/min的流量通(X)2氣體洗爐1 h，再通(X)2和CO的混合氣體(O)2 CO=I 10，體積比)并且開始升溫，以10°C /min的速率加熱至850°C保溫5 h，自然冷卻至室溫，得到2. 13 g WC/SiC復(fù)合粉體，XRD圖見圖15， 所得產(chǎn)物的主晶相為 WC (JCPDS card No. 51-0939)和 SiC (JCPDS card No. 29-1131), 圖16 17為產(chǎn)物的掃描照片，可以看出WC/SiC復(fù)合粉體為10 ym左右的團(tuán)聚體。用比重瓶法測(cè)得復(fù)合粉體的密度為5. 4 g/cm3。將所得WC/SiC復(fù)合粉體和Al粉以體積比5:95 混合，用粉末冶金的方法得到致密度達(dá)到99%的Al基復(fù)合材料，其硬度為74 HV，抗彎強(qiáng)度達(dá)到 480 Mpa。實(shí)施例4 一種碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料的制備方法
稱取于濃硝酸(1 mol/L)中酸化處理3 h (經(jīng)蒸餾水將硝酸洗滌干凈)的粒徑小于1 Mm 的碳化硅 0. 18 g (0.005 mol)，偏鎢酸銨 3. 77 g (含 W0.014 mol)，濃硝酸 2 ml (14 mol/ L)，蒸餾水63 ml，超聲分散60 min (45 HZ, 300 W，60%)。然后于50°C水浴反應(yīng)至水分蒸干，得到前驅(qū)體4. 08 8，取3.47 g于500°C煅燒1 h，得到3. 21 g W03/SiC復(fù)合粉體，取 2.53 g W03/SiC復(fù)合粉體置于氧化鋁坩堝中，放入石英管式氣氛爐中，先以80 ml/min的流量通(X)2氣體洗爐1 h，再通(X)2和CO的混合氣體(C02:CO=I 10，體積比)并且開始升溫，以 50化的速率加熱至9001保溫5 h，自然冷卻至室溫，得到2. 16 g WC/SiC復(fù)合粉體，XRD 圖見圖 18，所得產(chǎn)物的主晶相為 WC (JCPDS card No. 51-0939)和 SiC (JCPDS card No. 四-1131)。用比重瓶法測(cè)得復(fù)合粉體的密度為10.6 g/cm3。雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料，其制備方法中包括碳化步驟，其特征在于，它是以含鎢試劑為鎢源，經(jīng)過酸沉淀的方法在粒徑為0 15 μ m的碳化硅表面包覆氧化鎢得到氧化鎢/碳化硅復(fù)合粉體，再經(jīng)碳化而制得的碳化鎢/碳化硅復(fù)合粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料，其特征在于，所述含鎢試劑為偏鎢酸銨、鎢酸銨、鎢酸鈉、鎢酸、氯化鎢、磷酸鎢中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料，其特征在于，所述碳化鎢/碳化硅復(fù)合粉體的密度在5 15 g/cm3之間可控。
4.一種權(quán)利要求1所述碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(1)SiC活化取粒徑為0 15μ m的碳化硅浸泡于1 14 mol/L的濃硝酸中，酸化處理1 10 h后，以蒸餾水將酸洗滌干凈；(2)酸沉淀取含鎢試劑配制成含W元素濃度為0.1 1 mol/L的水溶液，將上步所得SiC顆粒加入到該含鎢溶液中，并使SiC和W元素的摩爾比在1 5 5 1之間，超聲分散 0. 5 2 h，室溫下再將濃度為0. 5 2 mol/L的硝酸溶液緩慢的滴加入到該混合溶液中， 在室溫 100°C下攪拌反應(yīng)2 M h，然后于80 100°C水浴反應(yīng)至水分蒸干，將得到的粉末于100°C真空干燥5 20 h，得前驅(qū)體；(3)W03/SiC制備上步所得前驅(qū)體在空氣中于300 600°C下煅燒0. 5 5 h，得到 W03/SiC復(fù)合粉體；(4)碳化將上步所得W03/SiC復(fù)合粉體置于氣氛爐中，先以10 100ml/min的流量通(X)2氣體洗爐0. 5 2 h，再以50 200ml/min的流量通CO2和CO的混合氣體，其中 C02:C0的體積比為0 < 1:10，同時(shí)以2 50°C /min的升溫速率加熱至700 900°C，保溫2 10h，再自然冷卻至室溫，即得WC/SiC復(fù)合粉體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述含鎢試劑為偏鎢酸銨、鎢酸銨、鎢酸鈉、鎢酸、氯化鎢、磷酸鎢中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅/碳化鎢復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述碳化鎢/碳化硅復(fù)合粉體的密度在5 15 g/cm3之間可控。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳化鎢/碳化硅復(fù)合粉體及其制備方法。該復(fù)合粉體是以碳化硅顆粒為原料，以偏鎢酸銨、鎢酸銨、鎢酸鈉等含鎢試劑為鎢源，經(jīng)過酸沉淀的方法在碳化硅表面包覆氧化鎢，再經(jīng)過碳化制得碳化鎢/碳化硅復(fù)合粉體。本發(fā)明是用WC包裹SiC的方法，可以改善碳化硅和金屬基體的相容性，在保證所得材料耐磨耐高溫等性能的前提下，拓寬了SiC的適用范圍，減少貴金屬W的用量，所得的復(fù)合粉體可以作為金屬添加劑用于增強(qiáng)金屬基體的耐磨性，較大程度的降低了金屬基體磨損成本。
文檔編號(hào)C04B35/628GK102173823SQ20111004744
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者姜維海, 宋賀臣, 張銳, 溫合靜, 辛玲, 陳德良 申請(qǐng)人:河南新大新材料股份有限公司