一种铬掺杂的四硼化钨超硬材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种超硬材料的制备方法，包括以下步骤：将钨粉、铬粉与硼粉进行高能球磨，得到复合粉末；将所述复合粉末进行高温烧结，得到超硬材料。本发明专利技术是一整套完整的过渡金属硼化物的制备方法，其首先采用机械化学法在室温下对按一定比例混合的粉末进行高能球磨，然后对球磨后的复合粉末进行致密化烧结，获得具有一定硬度、强度与热稳定性好的铬掺杂四硼化钨材料。

Preparation of chromium doped four tungsten boride superhard material

The invention provides a preparation method of superhard material, which comprises the following steps: high-energy ball milling of tungsten powder, chromium powder and boron powder to obtain composite powder; high-temperature sintering of the composite powder to obtain superhard material. The invention is a complete set of preparation methods of transition metal borides. Firstly, the powders mixed in a certain proportion are milled by mechanical chemical method at room temperature, and then the composite powders are densified and sintered to obtain chromium-doped tungsten tetraboride with certain hardness, strength and thermal stability. Material Science.

【技术实现步骤摘要】
一种铬掺杂的四硼化钨超硬材料的制备方法
本专利技术涉及材料制备
，尤其涉及一种铬掺杂的四硼化钨超硬材料的制备方法。
技术介绍
超硬材料因其具有高的硬度、良好的耐磨性、表面稳定性等优良特性，被广泛应用于切削刀具、耐磨涂层和研磨材料等，在工业生产和航空航天中发挥着不可替代的作用。过渡金属硼化物具有高熔点、高硬度和良好的化学稳定性，其中可能存在潜在的新型超硬材料。目前，在过渡金属硼化物中寻找潜在的超硬材料已经得到广泛的认可。现研究报道的过渡金属硼化物主要有锇(Os)、铼(Re)、铱(Ir)、钨(W)和钌(Ru)等元素的硼化物。其中，钨是为数不多的能形成高硼化物的过渡金属，价格便宜，其四硼化钨是平衡条件下存在的钨的最高硼化物。另外，四硼化钨除了具有高硬度的优点外，还有优良的化学惰性、耐摩擦耐磨损和良好的中子吸收效果等一系列优良性能，可以应用于刀具、切削工具和新型屏蔽材料，有很高的科研价值和良好的应用前景。由此，基于四硼化钨的超硬材料具有很高的研究价值。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种超硬材料的制备方法，本申请提供的超硬材料具有较高的硬度、强度与热稳定性。有鉴于此，本申请提供了一种超硬材料的制备方法，包括以下步骤：将钨粉、铬粉与硼粉进行高能球磨，得到复合粉末；将所述复合粉末进行高温烧结，得到超硬材料。优选的，所述钨粉、铬粉和硼粉的摩尔比为(1-x)：x：5，0＜x≤0.5。优选的，所述钨粉、铬粉和硼粉的摩尔比为0.9:0.1:5。优选的，所述复合粉末中包括二硼化钨、钨和硼。优选的，所述高能球磨的保护气氛为氩气，所述高能球磨的球料比为(3～6)：1，所述高能球磨的时间大于零且小于等于40h。优选的，所述高温烧结的温度为1200～1600℃，所述高温烧结在真空或惰性气氛下进行。优选的，所述超硬材料中包括W1-xCrxB4，0＜x≤0.5。优选的，所述超硬材料中还包括WB2与B。本申请提供了一种超硬材料的制备方法，其具体为：将钨粉、铬粉和硼粉进行高能球磨，得到复合粉末，再将复合粉末进行高能球磨，得到超硬材料。在上述制备过程中，钨粉、铬粉和硼粉通过高能球磨，得到了高表面能的纳米级混合粉末，其主要成分为WB2，随后进行的高温烧结形成以W1-xCrxB4为主相的超硬材料，该超硬材料中Cr原子部分取代了WB4晶胞中的W原子，形成了铬掺杂四硼化钨的材料，从而提高了材料的硬度，同时使得到的超硬材料具有较高的强度与热稳定性。附图说明图1是实施例1和实施例2制备的复合粉体球磨40h的XRD图谱；图2是实施例1制备的复合粉体分别在1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃热处理保温2h后的XRD图谱；图3是实施例2制备的粉体分别在1200℃、1300℃、1400℃热处理保温2h后的XRD图谱；图4是实施例2制备的粉体在1400℃热处理保温2h后的SEM照片；图5是实施例2制备的粉体在1400℃热处理保温2h后的粉体的EDS照片。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。针对现有技术中超硬材料的研究方向，本申请提供了一种超硬材料的制备方法，该方法采用机械化学法，首先通过高能球磨合成了WB2粉末，然后对球磨后的复合粉体进行致密化烧结，获得了一定成分、结构和性能的铬掺杂四硼化钨超硬材料。具体的，本专利技术实施例公开了一种超硬材料的制备方法，包括以下步骤：将钨粉、铬粉与硼粉进行高能球磨，得到复合粉末；将所述复合粉末进行高温烧结，得到超硬材料。在制备超硬材料的过程中，首先进行原料的高能球磨，具体的原料包括钨粉、铬粉和硼粉，在具体实施例中，所述钨粉、铬粉和硼粉的摩尔比为(1-x)：x：5，0＜x≤0.5；更具体的，所述钨粉、铬粉和硼粉的摩尔比为0.9:0.1:5。对于上述原料需要控制硼的添加量，减少甚至避免后续高温烧结过程中低硼化物的生成，过量硼的加入容易导致产物中残余硼的存在，从而影响材料的硬度和致密度。本申请上述高能球磨是原料粉末在室温下在机械能或者辅助机械能的作用下会获得较高的表面能，并在碰撞过程中越来越细，可达到纳米级。高能球磨的过程即是机械化学合成复合粉末的过程，在此过程中，可能含有少量的WB2，以使后续的高温烧结的主要成分为W1-xCrxB4。铬粉、钨粉和硼粉经过高能球磨后，得到的复合粉末中主要成分为WB2，还会含有一定量未反应的W和B；这个过程具体为：随着球磨时间的增加，WB2的含量逐渐增多，球磨后的混合粉末中可能含有未反应完全的W和B。在本专利技术中，所述高能球磨采用的设备可以为高能球磨机，可以为振动球磨机、行星式球磨机，也可以采用场辅助球磨机，如等离子体辅助高能球磨机等。在上述高能球磨的过程中，高能球磨的保护性气氛为氩气，所述高能球磨的时间大于零且小于等于40h；所述高能球磨的球料比为(3～6)：1，最好控制在4:1。按照本专利技术，在得到复合粉末之后，则将所述复合粉末进行高温烧结，得到超硬材料。具体的，本申请采用烧结工艺对复合粉末进行致密化，并优选通过调节和优化烧结工艺参数，制备出了具有高致密度、一定成分和微观结构以及高硬度的铬掺杂四硼化钨材料。此过程中，复合粉末经过高温烧结后，其主要成分为W1-xCrxB4，可能含有少量的WB2以及残余的非晶B。在上述高温烧结的过程中，所述高温烧结可以是传统的热压烧结、气氛烧结，也可以采用放电等离子烧结和微波烧结等场辅助烧结工艺。所述高温烧结的温度为1200～1600℃，所述高温烧结在真空或惰性气氛下进行。本申请控制烧结过程中温度的高低和保温时间的长短，获得物相较纯的硬质材料；在烧结过程中，通过采用合理的烧结工艺制备了致密的、不添加烧结剂的铬掺杂四硼化钨材料。本专利技术是一整套完整的过渡金属硼化物的合成技术，其首先采用机械化学法在室温下对按一定比例混合的粉末进行高能球磨，然后对球磨后的粉末进行致密化烧结，获得具有一定硬度的铬掺杂四硼化钨块体材料。四硼化钨在一定的温度条件下会分解为二硼化钨和硼，其分解温度和硼的含量有关，过量的硼可以提高四硼化钨的热稳定性，但硼对四硼化钨热稳定性的提高却不是无限的，当硼过量到一定程度时，再添加硼对四硼化钨的热稳定性已经没有影响了。在钨硼摩尔比为1:5时，四硼化钨的分解温度约为1250℃。掺杂亦可以提高四硼化钨的热稳定性，如掺Cr。本专利技术提出制备方法采用的设备简单，可操作性强，成本低。为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术提供的超硬材料进行详细说明，本专利技术的保护范围不受以下实施例的限制。实施例1(1)采用高能球磨机进行球磨，在充满氩气的手套箱中，将高纯的钨粉与硼粉按摩尔比1：5混合配料，添加碳化钨磨球六个，尺寸为11.20mm，球与混合粉末的质量之比为4:1；(2)将装有粉体和磨球的碳化钨球磨罐固定在高能球磨机上，每球磨1h停机20min(防止发动机过热)；(3)球磨时间为40h，得到复合粉末。实施例2(1)采用高能球磨机进行球磨，在充满氩气的手套箱中，将高纯的钨粉、铬粉与硼粉按化学计量比0.9:0.1:5混合配料，添加碳化钨磨球六个，尺寸为11.20mm，球与混合粉末的质量之比为4:1；(2)将装有粉体和磨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超硬材料的制备方法，包括以下步骤：将钨粉、铬粉与硼粉进行高能球磨，得到复合粉末；将所述复合粉末进行高温烧结，得到超硬材料。

【技术特征摘要】
1.一种超硬材料的制备方法，包括以下步骤：将钨粉、铬粉与硼粉进行高能球磨，得到复合粉末；将所述复合粉末进行高温烧结，得到超硬材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钨粉、铬粉和硼粉的摩尔比为(1-x)：x：5，0＜x≤0.5。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钨粉、铬粉和硼粉的摩尔比为0.9:0.1:5。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合粉末中包括二硼化钨、钨和硼。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙莹，郑鑫，车金涛，黄路江，林华泰，王成勇，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44