一种高性能WC纳米硬质合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高性能WC纳米硬质合金及其制备方法，所述的WC纳米硬质合金通过以下方法制成：(1)取WC与MgO混合，装入球磨罐中，再加入硬脂酸；(2)密封球磨罐，抽真空并充入惰性气体；(3)接着将球磨罐安装到球磨机上，球磨得到粒径1‑150nm的WC/MgO纳米复合粉末；(4)然后，将得到的WC/MgO纳米复合粉末干燥后装入模具，冷压成型得到压坯；(5)最后将压坯烧结，即得到目的产物。与现有技术相比，本发明专利技术方法工艺简单、技术参数可控性强、成本低、投资少、产率高，制备的粉末晶粒尺寸细小，具有较高的硬度和韧性，是一种综合性能良好的新型合金，其性能与超细WC/CO硬质合金相当，MgO成功的代替了稀贵金属Co，适合工业化生产。

A high performance WC nano cemented carbide and its preparation method

The invention relates to a high performance WC nano hard alloy and preparation method thereof, wherein WC nano cemented carbide prepared by the following methods: (1) WC and MgO mixed, arranged into the ball mill, adding stearic acid; (2) sealing ball milling tank, vacuum and inert gas (; 3) then the ball milling tank to the mill, milling the grain size of WC/MgO nano composite powder 1 150nm; (4) then the WC/MgO nano composite powder obtained after drying into the mould, cold press molding to obtain compacts; (5) the sintering, which get the products. Compared with the prior art, the invention has simple process, technical parameters of strong controllability, low cost, low investment, high yield, fine grain size of powder preparation, has high hardness and toughness, is a new type of alloy a good comprehensive performance, and the performance of ultrafine WC/CO cemented carbide, MgO successfully replaced the precious metal Co, suitable for industrialized production.

【技术实现步骤摘要】
一种高性能WC纳米硬质合金及其制备方法
本专利技术涉及复合纳米材料制备领域，尤其是涉及一种高性能WC纳米硬质合金及其制备方法。
技术介绍
碳化钨(WC)与其他硬质合金以及难熔金属相比，具有高硬度，一定的塑性和与熔化金属有好的湿润性等一系列优良的物理力学性能，广泛应用于冶金、机械等部门，在现代工业中占有十分重要的地位。鉴于钴(Co)对WC有良好的湿润性能，并且WC在Co中有一定的溶解度，所以多年来Co一直是硬质合金最主要的粘结剂。但是Co是一种贵重而稀有、具有重要战略意义的资源，中国Co矿资源贫乏，而且分布分散，品位低，开采成本高。目前我国每年需要进口大量的Co矿。从2001年进口Co精矿2900多吨增加到2002年前9个月的3854吨,使国际Co价上扬20％左右。作为资源消费大国，大量地利用外部资源会导致国际市场资源价格的上升，同时也对自身的需求造成巨大的市场和价格风险，所以寻找Co的代替品，降低合金成本，已经引起广大科研工作者的广泛关注。同时，以Co作为粘结剂的硬质合金，其抗腐蚀性能较差，在某些恶劣条件下使用时，工件很快被腐蚀，寿命缩短，难以满足对工件的使用要求，虽然氧化镁(MgO)韧性略差于Co，但价格与Co相比便宜很多，更重要的是耐腐蚀性，耐高温性以及热稳定性好，可以满足恶劣条件下的要求。所以用MgO代替贵金属Co具有一定的实用意义。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能WC纳米硬质合金及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高性能WC纳米硬质合金，由WC和MgO按质量比4-20:1复合而成。一种高性能WC纳米硬质合金的制备方法，优选包括以下步骤：(1)取WC与MgO混合，装入球磨罐中，再加入硬脂酸；(2)密封球磨罐，抽真空并充入惰性气体；(3)接着将球磨罐安装到球磨机上，球磨得到粒径1-150nm的WC/MgO纳米复合粉末；(4)然后，将得到的WC/MgO纳米复合粉末干燥后装入模具，冷压成型得到压坯；(5)最后将压坯烧结，即得到目的产物。优选的，步骤(1)中加入的硬脂酸的量为WC与MgO混合粉末质量的0.5-3％。优选的，步骤(1)中加入的WC和MgO的粒径为1-5μm。优选的，步骤(1)中控制球磨罐中球料比为4-10:1。优选的，步骤(2)中所述的惰性气体为氩气。优选的，步骤(3)中球磨的转速为100-500r/min，球磨时间为不超过70h。优选的，步骤(4)中烧结温度为1510－1530℃，升温速度为80-100℃/min，烧结压力为48－52Mpa，烧结时间为3-5min。本专利技术中硬脂酸的加入主要是抑制反应物组元间的过分冷焊，降低粉末颗粒的粘结，明显提高出粉率，改善合金粉末的均匀性；而且硬脂酸能降低粉末颗粒发生断裂所需要的能量，更有利于粒子的细化。本专利技术通过球磨预先制备了粒径在1-150nm左右的纳米复合材料，纳米材料比表面大的优点使得它们与块体材料相比，其表面排列的原子数目与内部原子数目之比明显增加。由于表面原子的键合状态与内部原子不同，键态失配，因而出现非化学平衡，使纳米材料的化学活性增强。在WC和MgO的机械合金化过程中，正是基于纳米材料的强化学活性才导致发生机械固态相还原反应，从而形成WC/MgO纳米复合粉末。然后，再烧结得到WC/MgO纳米硬质合金。在WC/Co和WC/MgO两种复合材料中，Co和MgO都起到增强韧性的作用，但是两种材料的增韧机理完全不同，WC/Co硬质合金主要靠软相Co来提高硬质合金的断裂韧性的，而WC/MgO主要靠基体与第二相颗粒增韧补强的理论增加韧性的。WC的硬度高于粘结剂Co的硬度，但是韧性较差，而金属Co对硬质相WC有良好的润湿性和粘结性，能同时满足两相间的热力学共存性和热力学共容性，添加少量的Co可以大大提高WC硬质合金的韧性。虽然MgO的韧性较金属Co的韧性低，但是根据第二相颗粒增韧补强的理论，当第二相颗粒与基体颗粒之间不发生化学反应，且基体与第二相颗粒之间存在热膨胀系数和弹性模量的失配，则第二相颗粒可以起到增韧补强作用。由于WC和MgO两相不会出现过量的相间化学反应，所以首先满足两相间化学相容性的条件。虽然第二相颗粒MgO的弹性模量(320KN/mm2)小于WC基体的弹性模量(710KN/mm2)，但是MgO热膨胀系数(11×10－6K－1)远远大于WC基体的热膨胀系数(3.84×10－6K－1)，弥散颗粒(MgO)与基体(WC)之间存在热膨胀系数和弹性模量的失配，所以弥散颗粒(MgO)对基体(WC)会起到弥散增韧的作用。通过断裂力学模型分析也发现，第二相MgO颗粒，均匀镶嵌到较小的硬质相之间，会使裂纹在WC-Mo复合材料中扩展路径加长，产生偏转，使裂纹扩展受阻，产生一定的增韧效果。在粉末制备过程中，通过实际正交实验的以及试验的级差分析发现，磨球直径、球磨机转速和球料比对出粉率和粉末粒度细化有重要影响。转速越高，每次球的冲击能量越大，对粉末的细化作用越好；磨球直径越大，撞击能量越高，有利于WC相的断裂、变形和粉末的细化；球料比对球磨粉末粒度细化的影响比磨球直径和球磨机转速小，而且当球料比较小时，尽管磨球碰撞速度增大(磨球的运动自由度增大)，但此时碰撞频率减小更快，单位时间内磨球对粉末的碰撞次数较低，从而粉末细化作用相对较差；当球料比太大时，磨球碰撞频率增大，但此时磨球的碰撞速度减小更快，磨球对粉末的撞击力太小，粉末细化作用明显变差，只有球料比达到一定值时，粉末细化最快。通过研究烧结WC/MgO块体材料性能发现，氧化镁含量、烧结压力和烧结温度对烧结试样性能有一定的影响。发现第二相MgO的加入会阻碍晶界移动，抑制晶粒长大。随着第二相MgO颗粒体积分数的增加，基体晶粒尺寸减少，当氧化镁含量为一定值时，其硬度和断裂韧性组合最好。进一步提高MgO含量，由于其颗粒的聚集程度增大，不能起到颗粒增韧的效果，其断裂韧性反而降低。在烧结温度和MgO含量不变的情况下，烧结压力对WC/MgO复合材料的相对密度、硬度和断裂韧性有重要影响，在适当的烧结温度下，烧结压力越大，复合材料的致密度越高，硬度和断裂韧性越好。烧结温度对复合材料的性能也有重要影响，烧结温度过低，试样的致密度差，烧结温度过高，晶粒长大越快，都会影响烧结体的硬度和韧性，烧结温度在一定范围内，材料的性能最好。与现有技术相比，本专利技术的方法工艺简单、技术参数可控性强、成本低、投资少、产率高，制备的粉末晶粒尺寸细小，具有较高的硬度和韧性，是一种综合性能良好的新型合金，其性能与超细WC/CO硬质合金相当，MgO成功的代替了稀贵金属Co，适合工业化生产。附图说明图1为WC和MgO混合粉末的原始SEM照片；图2为WC/MgO混合粉末经不同时间球磨后的X射线衍射图谱；图3为球磨50h后，超细WC/MgO纳米复合粉末的SEM照片；图4为球磨50h后，超细WC/MgO纳米复合粉末不同尺度的TEM照片；图5为超细WC/MgO纳米复合粉末经放电等离子体烧结后的SEM照片。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。一种高性能WC纳米硬质合金，由WC和MgO按质量比4-20:1复合而成。一种高性能WC纳米硬质合金的制备方法，优选包括以下步骤：(1)取WC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能WC纳米硬质合金，其特征在于，由WC和MgO按质量比4‑20:1复合而成。

【技术特征摘要】
1.一种高性能WC纳米硬质合金，其特征在于，由WC和MgO按质量比4-20:1复合而成。2.如权利要求1所述的高性能WC纳米硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取WC与MgO混合，装入球磨罐中，再加入硬脂酸；(2)密封球磨罐，抽真空并充入惰性气体；(3)接着将球磨罐安装到球磨机上，球磨得到粒径1-150nm的WC/MgO纳米复合粉末；(4)然后，将得到的WC/MgO纳米复合粉末干燥后装入模具，冷压成型得到压坯；(5)最后将压坯烧结，即得到目的产物。3.根据权利要求2所述的一种高性能WC纳米硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中加入的硬脂酸的量为WC与MgO混合粉末质量的0.5-3％。4.根据权利要求2所述的一种高性能WC纳米硬质...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梅琳，朱世根，韩清鹏，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31