一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及硬质合金材料制备技术领域，具体涉及一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料及其制备方法。本发明专利技术中的WC基硬质合金材料，按重量百分比计，以3～35％高熵合金为强化相，以0～30％Co、0～30％Ni、0～30％Fe、0～15％Cr为粘结相，以55～97％WC、0～10％TaC/NbC、0～5％VC/ZrC、0～5％Cr2C3的复合材料为硬质相，经过球磨、喷雾干燥、模压成坯料、梯度工艺烧结以及热处理制备而成。本发明专利技术提供的高熵合金强化WC基硬质合金材料，其微观组织及成分均匀、质量稳定，适合大规模工业生产，并兼具良好的耐磨性、韧性性能、抗氧化及优异的综合性能力学和机械性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料及其制备方法
本专利技术属于硬质合金材料制备
，具体为一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料及其制备方法。
技术介绍
硬质合金具有高的硬度、强度、韧性及耐磨性,其制备材料在切削、钻探、矿山、机加工及耐磨件等被广泛应用。硬质合金制备方法主要以一种或多种高硬度、高模量的难熔金属碳化物为硬质基体相,以过渡族金属等或其他合金作为粘结相，烧结而成的一种多相复合材料。我国经过数十年发展已建立了较为完备的硬质合金工业体系,其合金总产量已经居世界第一，然而低水平重复建设现象严重、科技资金投入较少和高端技术人才缺乏，国内外销售的多数产品却仍以市场的中、低端为主,其技术壁垒相对较低。针对具有高技术含量、高附加值的高性硬质合金产品却严重缺乏，在高性硬质合金的开发上,主要还是以跟踪模仿国外先进技术为主。高熵合金，最初由英国学者Cantor研究开发的合金体系时提出多组元合金。我国台湾学者叶均蔚结合合成材料特性将多组元等摩尔比、高混合熵合金的简单固溶体合金定义为高嫡合金。高熵合金作为一种新型的合金设计理念引发了关于多组元合金的研究热潮，由于多主元高熵合金突破了以1种或2种金属元素为主的传统合金的发展框架，是依据等原子比、高混合熵这样的合金设计理念而发展起来的，这种合金的突出特点是具有高熵效应，高熵效应的影响使高熵合金具有许多有别于传统合金的组织和性能特点，往往表现出显微结构简单化、纳米析出物及非晶结构、纳米晶粒等组织特征和高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀及高抗氧化等性能特点。传统的硬质合金大多以Co或Ni作为粘结相，而Co或Ni高温下易于软化，从而导致硬质合金的高温性能变差,导致WC硬质合金在高温下的耐磨性低、耐腐蚀及高韧性较差等问题，此为传统硬质合金难以克服的技术难点。而目前本领域的技术人员在改进WC硬质合金材质的主要手段是添加传统的复式粉末和常规的细化剂来改变组织从而调整其综合性能，但效果均不显著；此外在传统的WC硬质合金的生产上过分依赖具有工业毒性和昂贵金属的Co，造成较为严重的环境污染以及生产成本较高的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的第一目的在于提供一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料，以解决目前WC硬质合金耐磨性低、耐腐蚀性及高韧性差的缺陷，以及目前WC硬质合金生产过程中使用较多的毒性金属且生产成本较高的问题；本专利技术的另一目的在于提供一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料的制备方法，以提高WC硬质合金的综合性能并适用于大规模的工业化生产。一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料，按重量百分比计，硬质合金材料以3～35％高熵合金为强化相，以0～30％Co、0～30％Ni、0～30％Fe、0～15％Cr为粘结相，以55～97％WC、0～10％TaC/NbC、0～5％VC/ZrC、0～5％Cr2C3的复合材料为硬质相制备而成，其中高熵合金、粘结相以及硬质相的组分为亚微米粉末或微米粉末。具体地，此处硬质相基体主要选用WC粉末，强化相选用亚微米粉末或/和微米的高熵合金粉末，其中合金元素为Fe，Co，Cr，Ni,Mn，Mo,W,Ta,Nb,Zr,Cr,V，Hf,Ru，Al中的至少四种及其以上组成；且高熵合金元素的含量摩尔比为3.5～55％，粉末中的一种或几种。粘结相选用Co、Ni、Cr、Fe中的任意一种或几种。添加相选用TaC，NbC，VC，ZrC，Cr2C3中的任意几种或全部作为预备原材料。针对上述需要说明的是，0～10％TaC/NbC表示0～10％的TaC或0～10％的NbC或0～10％TaC和NbC的混合物，同理0～5％VC/ZrC表示0～5％的VC或0～5％的ZrC或0～5％VC和ZrC的混合物。在本专利技术较佳的实施例中，高熵合金由Fe，Co，Cr，Ni,Mn，Mo,W,Ta,Nb,Zr,Cr,V，Hf，Ru，Al中的至少四种组成，且每种元素的含量摩尔比为3.5～55％。在本专利技术较佳的实施例中，高熵合金为CrMnFeCoNi、CrFeCoNiAl、CrFeCoNiMo、CoCrCuFeNi中的任意一种或几种，且高熵合金中各元素的摩尔比为1:1:1:1:1。需要说明的是，此处高熵合金中各元素之间的平均摩尔比值指的是单种高熵合金中各元素的摩尔比值。即当高熵合金为几种时，每种材料中的各元素的摩尔比值为1:1:1:1:1。一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按比例称取上述所列举的原料进行混合，加入研磨介质、分散剂及成型剂，混合均匀后得到预备原料。(2)将预备原料装入球磨机的研磨硬质合金球磨罐内，进行球磨得到混合物料。(3)将混合物料喷雾制粒，其中雾化制粉的压力为850～1350KPa，雾化制粉的温度为165～290℃。(4)将喷雾制粒所获混合物料直接装入模具中并在300～450MPa的压强下处理10～240s后制成坯料。(5)先将模压成型的坯料放入烧结炉中进行脱蜡真空烧结，其间坯料依次进入加热脱脂阶段、固相烧结阶段、液相烧结阶段以及随炉冷却阶段。(6)待待料冷却完成后将坯料取出并放置于真空炉中，对坯料进行热处理。进一步地，步骤(1)中研磨介质为已烷或无水乙醇，其占加入总量的质量分数为0.5～1.8％；分散剂为十二烷基苯璜酸、硬质酸或乙索敏，其质量分数为0.1～0.5％；成型剂是汽油和橡胶、石蜡、聚乙烯醇、合成橡胶、乙二醇或SBS中一种或几种为溶质，其质量分数为1.5～5％。进一步地，步骤(2)中的球磨机为滚动型球磨机或行星式球磨机，硬质合金球的球径为6.25～10mm，球料比为4～10:l；液固比为300～350mL/Kg；所述球磨机的球磨转速为70～120转/分钟，球磨时间为48～96h。进一步地，加热脱脂过程中按预热、通入气体、升温、保温控温工序进行，加热真空脱脂温度升温至350～550℃，其优选温度为420℃，保温控温时间为50～180min，其温度偏差控制在±0.50℃。此处需要说明的是，此处通入的气体为纯氩气气体。进一步地，固相烧结阶段中加热温度由350～550℃升温至1050～1350℃，加热速率不超过5℃/min，在烧结温度达到1050～1150℃、1200～1280℃和1280～1350℃各自范围的某一温度时分别设置保温控温时间为30～120min，其温度偏差控制在±0.50℃。此处需要说明的是，此处的烧结温度是达到各阶段范围内的某一具体温度值即可进行保温，然后此具体温度偏差控制在±0.50℃内。进一步地，固相烧结阶段完成后进入液相烧结阶段时，以2～5℃/min的升温速率将温度升高至1390～1480℃，液相烧结阶段的保温时间为50～120min，同时通入0.5～5MPa的氩气气体，氩气气体纯度大于99.995％，其气压优选2～5MPa，温度偏差控制在±0.50℃内；液相烧结阶段完成后进入冷却阶段，采用随炉缓慢冷却到至室温。进一步地，将冷却后的产物置于真空炉内升温至850～1250℃，升温速率不超过15℃/min，并保温60～360min,随后冷却至室温。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术提供的简单的体心或面心立方结构的高强度的高熵合金,与硬质相热膨胀系数接近，在烧结时能更好的湿润硬质相与粘结相合金的界面，改善了传统的粘结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述硬质合金材料以3～35％高熵合金为强化相，以0～30％Co、0～30％Ni、0～30％Fe、0～15％Cr为粘结相，以55～97％WC、0～10％TaC/NbC、0～5％VC/ZrC、0～5％Cr2C3的复合材料为硬质相制备而成，所述高熵合金、粘结相以及硬质相的组分为亚微米粉末或微米粉末。

【技术特征摘要】
1.一种基于高熵合金的WC基硬质合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述硬质合金材料以3～35％高熵合金为强化相，以0～30％Co、0～30％Ni、0～30％Fe、0～15％Cr为粘结相，以55～97％WC、0～10％TaC/NbC、0～5％VC/ZrC、0～5％Cr2C3的复合材料为硬质相制备而成，所述高熵合金、粘结相以及硬质相的组分为亚微米粉末或微米粉末。2.根据权利要求1所述的WC基硬质合金材料，其特征在于，所述高熵合金由Fe，Co，Cr，Ni,Mn，Mo,W,Ta,Nb,Zr,Cr,V，Hf，Ru，Al中的至少四种组成，且每种元素的含量摩尔比为3.5～55％。3.根据权利要求2所述的WC基硬质合金材料，其特征在于，所述高熵合金为CrMnFeCoNi、CrFeCoNiAl、CrFeCoNiMo、CoCrCuFeNi中的任意一种或几种，且高熵合金中各元素的摩尔比为1:1:1:1:1。4.一种根据权利要求1-3任一项所述的基于高熵合金的WC基硬质合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)称取原料进行混合，加入研磨介质、分散剂及成型剂，混合均匀后得到预备原料；(2)将预备原料装入球磨机的研磨硬质合金球磨罐内，进行球磨后得到混合物料；(3)将混合物料喷雾制粒，其中雾化制粉的压力为850～1350KPa，雾化制粉的温度为165～290℃；(4)将喷雾制粒所获混合物料直接装入模具中并在300～450MPa的压强下处理10～240s后制成坯料；(5)先将模压成型的坯料装入烧结炉中进行脱蜡及压力烧结处理，依次进入加热脱脂阶段、固相烧结阶段、液相烧结阶段以及随炉冷却阶段；(6)待待料冷却完成后将坯料取出放置于真空炉内，并对坯料进行热处理。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：董定乾，孙敬鸿，向新，杨伟，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51