專利名稱：一種無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，具體說，是涉及一種基于氮化物轉(zhuǎn)化法的反應(yīng)放電等離子體燒結(jié)技術(shù)制備無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的方法，屬于硬質(zhì)合金材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳化鎢基硬質(zhì)合金具有硬度高、抗彎強度高和斷裂韌性良好的特點，在現(xiàn)代工具材料、耐磨材料、耐高溫和耐腐蝕材料等方面具有非常廣泛的應(yīng)用。最具有代表性的是其在很大程度上可以取代高速鋼，從而引起了金屬加工工業(yè)的技術(shù)革命，被譽為“工業(yè)的牙齒”。在硬質(zhì)合金體系中，金屬粘結(jié)相(如鈷、鎳)的加入能增加合金的韌性與強度，但不可避免地使其硬度和抗腐蝕性降低。在某些特定的使用場合下，如高壓水刀切割用的噴嘴，硬度的降低限制了其應(yīng)用。因此，為提高合金的硬度和耐磨性，往往通過減少組分中金屬粘結(jié)相的含量，甚至不添加粘結(jié)相來實現(xiàn)。目前，關(guān)于無粘結(jié)相碳化鎢硬質(zhì)合金的研究日益受到國內(nèi) 外重視。提高無粘結(jié)相碳化鎢硬質(zhì)合金性能的有效途徑是將材料的晶粒尺寸減小至亞微米甚至納米尺度，其關(guān)鍵技術(shù)是超細(xì)粉體的制備及材料的燒結(jié)。傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的生產(chǎn)流程一般為仲鎢酸銨(APT)經(jīng)煅燒得到鎢的氧化物，再經(jīng)還原碳化得到WC，之后需經(jīng)歷配料、球磨、壓制、脫蠟、高溫?zé)Y(jié)等步驟，可以看出該工藝不僅流程長，而且能耗大，多次反復(fù)的高溫處理過程導(dǎo)致材料的晶粒尺度不易控制。目前國內(nèi)外研制超細(xì)或納米硬質(zhì)合金材料仍然沿用上述傳統(tǒng)的工藝，雖然在超細(xì)或納米碳化鎢粉末制備方面取得了較大的進展，但由于上述工藝燒結(jié)溫度高、時間長，導(dǎo)致納米碳化鎢粉末在燒結(jié)過程中晶粒急劇長大，即使添加晶粒生長抑制劑，也不能完全避免晶粒長大。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種制備工藝簡單、實用，可操控性強，容易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，燒結(jié)溫度低，材料晶粒細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)良的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，包括如下步驟a)將氮化鎢與碳黑進行球磨混合，制備W2N/C混合粉體；b)將步驟a)制得的W2N/C混合粉體置于放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)先以10 500°C /min的速率升溫到700 1000°C，保溫I 20分鐘后再加壓至10 200MPa、并升溫至1200 180(TC，保溫I 20分鐘，即得無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金。步驟a)中的氮化鎢與碳黑的摩爾比優(yōu)選為I : 2 I : 3。步驟a)中的球磨溶劑優(yōu)選為乙醇。步驟a)中的球磨介質(zhì)優(yōu)選為碳化鶴球。
步驟a)中的球磨時間優(yōu)選為6 48小時。步驟b)中的燒結(jié)氣氛優(yōu)選為真空或惰性氣氛。步驟b)中的升溫速率優(yōu)選為50 200°C /min。步驟b)中的燒結(jié)壓力優(yōu)選為50 200MPa。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點I)采用反應(yīng)SPS燒結(jié)技術(shù)，大大降低了燒結(jié)溫度，降低了原料成本和能耗。2)所制備的材料晶粒細(xì)小，致密度高，并具有良好的力學(xué)性能。 3)制備工藝簡單、實用、可操控性強，容易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。


圖I為實施例I制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金拋光面的SEM圖。具體實施方法下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)、完整地說明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。實施例I稱取IOmol氮化鎢和25mol碳黑，以乙醇為溶劑、碳化鎢球為球磨介質(zhì)，于輥式球磨機上混合24小時，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，置于烘箱內(nèi)干燥，過篩，得到W2N/C混合粉體；將過篩后的W2N/C混合粉體置于放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)在真空條件下，先以100°C /min的升溫速率升至800°C，保溫5分鐘后再將壓力增至90MPa，并升溫至1250°C，保溫3min后，即得到無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金。圖I是本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金拋光面的SM圖，由圖I可見制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為270nm，致密度高于98%。實施例2本實施例與實施例I的不同之處僅在于稱取IOmol氮化鎢和20mol碳黑為原料，二次升溫至1450°C并保溫5分鐘。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為410nm，致密度高于98%。實施例3本實施例與實施例I的不同之處僅在于稱取IOmol氮化鎢和30mol碳黑為原料，二次升溫至1250°C并保溫3分鐘。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為220nm，致密度高于98%。實施例4本實施例與實施例I的不同之處僅在于球磨時間為6小時，二次升溫至1500°C保溫5分鐘。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為450nm，致密度高于98%。實施例5本實施例與實施例I的不同之處僅在于球磨時間為48小時，二次升溫至1250°C并保溫5分鐘。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為250nm，致密度高于98%。實施例6本實施例與實施例I的不同之處僅在于燒結(jié)氣氛為氮氣氣氛，一次升溫至900°C 并保溫10分鐘。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為300nm，致密度高于98%。實施例7本實施例與實施例I的不同之處僅在于燒結(jié)氣氛為氬氣氣氛，一次升溫至900°C并保溫15分鐘。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為320nm，致密度高于98%。實施例8本實施例與實施例I的不同之處僅在于一次升溫至1000°C保溫I分鐘。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為320nm，致密度高于98%。實施例9本實施例與實施例I的不同之處僅在于一次升溫至700°C并保溫20分鐘。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為220nm，致密度高于98%。實施例10本實施例與實施例I的不同之處僅在于一次升溫速率為10°C /min ;二次升溫至1500°C保溫 lOmin。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為460nm，致密度高于98%。實施例11本實施例與實施例I的不同之處僅在于一次升溫速率為500°C /min ;二次升溫至 1200°C保溫 lOmin。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。
經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為21011111，致密度高于98%。實施例12本實施例與實施例I的不同之處僅在于二次升溫時所施加的壓力為lOMPa，二次升溫至1800 °C保溫Imin。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為670nm，致密度高于98%。實施例13本實施例與實施例I的不同之處僅在于二次升溫時所施加的壓力為200MPa，二 次升溫至1200°C保溫20min。其余內(nèi)容均同實施例I中所述。經(jīng)檢測分析得知本實施例制得的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的晶粒尺寸細(xì)小，平均粒徑為200nm，致密度高于98%。綜上所述，利用本發(fā)明方法制備的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金具有燒結(jié)溫度低，耗時短；所制備的材料晶粒細(xì)小，致密度高，力學(xué)性能優(yōu)良。
權(quán)利要求
1.一種無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 a)將氮化鎢與碳黑進行球磨混合，制備W2N/C混合粉體； b)將步驟a)制得的W2N/C混合粉體置于放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)先以10 5000C /min的速率升溫到700 1000°C，保溫I 20分鐘后再加壓至10 200MPa、并升溫至1200 180(TC，保溫I 20分鐘，即得無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于步驟a)中的氮化鎢與碳黑的摩爾比為I : 2 I : 3。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于步驟a)中的球磨溶劑為乙醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于步驟a)中的球磨介質(zhì)為碳化鶴球。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于步驟a)中的球磨時間為6 48小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于步驟b)中的燒結(jié)氣氛為真空或惰性氣氛。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于步驟b)中的升溫速率為50 200°C /min。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于步驟b)中的燒結(jié)壓力為10 200MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無粘結(jié)相納米碳化鎢硬質(zhì)合金的制備方法，所述方法包括如下步驟將氮化鎢與碳黑進行球磨混合，制備W2N/C混合粉體；將制得的W2N/C混合粉體置于放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)先以10～500℃/min的速率升溫到700～1000℃，保溫1～20分鐘后再加壓至10～200MPa、并升溫至1200～1800℃，保溫1～20分鐘，即得。本發(fā)明采用反應(yīng)SPS燒結(jié)技術(shù)，大大降低了燒結(jié)溫度，降低了原料成本和能耗，所制備的材料晶粒細(xì)小，致密度高，并具有良好的力學(xué)性能，且制備工藝簡單、實用、可操控性強，容易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號C22C1/05GK102925728SQ201110231828
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者闞艷梅, 孫世寬, 張國軍 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所