一种石墨烯碳源WC-Co硬质合金制造技术

为了改善WC‑Co硬质合金的硬度、耐磨性，制备了一种石墨烯碳源WC‑Co硬质合金。采用十层石墨烯，WO2.9以及Co3O4为原料，石墨烯作为碳源能够成功提高硬质合金的力学性能。其作用机理为石墨烯为薄膜状物质，能够更好的抑制烧结过程中合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有更为细化的晶粒尺寸与更均匀的内部结构，从而得到致密化程度更高的硬质合金。所制得的石墨烯碳源WC‑Co硬质合金，其硬度、致密化程度、断裂韧性都得到大幅提升。本发明专利技术能够为制备高性能的WC‑Co硬质合金提供一种新的生产工艺。

A WC-Co Cemented Carbide with Graphene Carbon Source

In order to improve the hardness and wear resistance of WC Co cemented carbide, a graphene carbon source WC Co cemented carbide was prepared. Ten layers of graphene, WO2.9 and Co3O4 are used as raw materials. Graphene as carbon source can improve the mechanical properties of cemented carbide successfully. The mechanism is that graphene is a thin film material, which can better inhibit the growth of alloy grain during sintering process, and make the cemented carbide have finer grain size and more uniform internal structure, so as to obtain a more dense cemented carbide. The hardness, densification degree and fracture toughness of WC Co cemented carbide with graphene carbon source have been greatly improved. The invention can provide a new production process for preparing high performance WC_Co cemented carbide.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯碳源WC-Co硬质合金所属
本专利技术涉及一种硬质合金材料，尤其涉及一种石墨烯碳源WC-Co硬质合金。
技术介绍
硬质合金是由一种或多种高硬度、高模量的间隙化合物与过渡族金属或其合金组成的复合材料。由于其具有高硬度、耐磨性、红硬性及强韧性等特点，广泛应用于各种切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀零部件。硬质合金属于脆性材料，硬度和强度即耐磨性和韧性之间的矛盾一直是困扰其发展的主要因素。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了改善WC-Co硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种石墨烯碳源WC-Co硬质合金。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：石墨烯碳源WC-Co硬质合金的制备原料包括：直径为5~10μm的分散在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中的十层石墨烯，纯度为99.5%、平均粒径为50μm的蓝钨（WO2.9）以及纯度为98.5%、平均粒径为35μm氧化钴（Co3O4）。石墨烯碳源WC-Co硬质合金的制备步骤为：按实验设计方案称取石墨烯、蓝钨以及氧化钴进行配料，随后加至硬质合金球磨罐中进行球磨，球磨介质为乙醇，球磨转速为180r/min，球磨时间分别为30、40、50h。然后将粉料进行真空干燥，并在850℃的温度下进行还原碳化反应，反应时间为1h。在还原碳化好的粉末中加入一定量的晶粒长大抑制剂VC并继续球磨，球磨时间为10h。接着对复合粉末进行放电等离子烧结致密化，烧结温度为1130℃，保温5min，烧结压力为60MPa。石墨烯碳源WC-Co硬质合金的检测步骤为：物相分析采用D/max-3型X射线衍射仪，断裂韧性采用压痕法，微观结构采用NovaNanoSEM型场发射扫描电子显微镜和场发射高分辨率透射电镜。所述的石墨烯碳源WC-Co硬质合金，石墨烯作为碳源能够成功提高硬质合金的力学性能。其作用机理为石墨烯为薄膜状物质，能够更好的抑制烧结过程中合金晶粒的长大，使制得的硬质合金具有更为细化的晶粒尺寸与更均匀的内部结构，从而得到致密化程度更高的硬质合金。所述的石墨烯碳源WC-Co硬质合金，石墨烯作为碳源能够使制得的硬质合金具有更均匀的物相组成，各物相之间契合度较好。所制备出的纳米晶硬质合金，物相纯净，晶粒组织细小，微观组织分布均匀。所述的石墨烯碳源WC-Co硬质合金，因石墨烯作为碳源能够细化晶粒、提升硬质合金致密度，所以能够使反应能够在更低的温度下进行，而且提升了反应的效率。所制备的硬质合金具有良好的硬度和断裂韧性，其维氏硬度为29.76GPa，断裂韧性为15.37MPa·m1/2。其力学性能较常规工艺制备的硬质合金提升约20%以上。本专利技术的有益效果是：采用十层石墨烯，WO2.9以及Co3O4为原料，经过配料、球磨、干燥、制粒、放电等离子烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的石墨烯碳源WC-Co硬质合金。其中，采用石墨烯作为碳源能够在较低的反应温度下成功制备出纳米晶WC-Co硬质合金。所制得的石墨烯碳源WC-Co硬质合金，其硬度、致密化程度、断裂韧性都得到大幅提升。本专利技术能够为制备高性能的WC-Co硬质合金提供一种新的生产工艺。具体实施方式实施案例1：石墨烯碳源WC-Co硬质合金的制备原料包括：直径为5~10μm的分散在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中的十层石墨烯，纯度为99.5%、平均粒径为50μm的蓝钨（WO2.9）以及纯度为98.5%、平均粒径为35μm氧化钴（Co3O4）。石墨烯碳源WC-Co硬质合金的制备步骤为：按实验设计方案称取石墨烯、蓝钨以及氧化钴进行配料，随后加至硬质合金球磨罐中进行球磨，球磨介质为乙醇，球磨转速为180r/min，球磨时间分别为30、40、50h。然后将粉料进行真空干燥，并在850℃的温度下进行还原碳化反应，反应时间为1h。在还原碳化好的粉末中加入一定量的晶粒长大抑制剂VC并继续球磨，球磨时间为10h。接着对复合粉末进行放电等离子烧结致密化，烧结温度为1130℃，保温5min，烧结压力为60MPa。石墨烯碳源WC-Co硬质合金的检测步骤为：物相分析采用D/max-3型X射线衍射仪，断裂韧性采用压痕法，微观结构采用NovaNanoSEM型场发射扫描电子显微镜和场发射高分辨率透射电镜。实施案例2：复合粉末以WC为主相，氧化钴和氧化钨已经完全被还原并碳化为WC和缺碳相。缺碳相以及游离的石墨烯的存在可以使反应温度降低，有效抑制在反应过程中WC晶粒的尺寸因反应温度高而长大。在后续的烧结过程中进一步反应，可消除缺碳相和游离石墨烯。较低的反应温度不仅抑制了复合粉中WC的晶粒长大，有效减少了能耗，缩短了粉末和硬质合金的制备周期，提高了生产效率。实施案例3：在球磨42h时，有部分石墨烯片没有被很好地破碎，保持了原来的片层状结构。由于在反应的过程中，石墨烯片周围的钨钴氧化物无法完全把此石墨烯片消耗掉，有了部分的石墨烯片层残留。增加球磨时间到60h时，复合粉末中基本没有片层状的石墨烯存在。球磨时间增加到90h时，已经可以得到颗粒细小均匀的复合粉末。随着球磨时间的进一步增加，颗粒细化已经不明显。反应比较充分时的复合粉末颗粒的平均颗粒尺寸约为173nm，粒径分布很窄，粉末中颗粒大小分布均匀。实施案例4：烧结后的块体只有WC、Co两相，物相纯净。出现的少量石墨烯和缺碳相在烧结的过程中进行了二次完全的还原碳化反应，在110MPa的压力下既消除了游离石墨烯和缺碳相，又很好地控制了晶粒尺寸的长大，可以得到物相纯净，晶粒细小的WC-12Co硬质合金块体。烧结块体致密性较好，且晶粒尺寸分布均匀，晶粒细小，没有发现异常长大晶粒。WC平均晶粒尺寸约为218nm，粒径分布较窄，晶粒尺寸主要分布在260nm以下，其具有良好的硬度、韧性组合。实施案例5：材料在受力变形过程中，良好的界面取向关系可有效阻碍位错运动，具有和普通晶界相似的强化作用，可以有效地降低晶粒间的界面能，最大限度地增强了WC-Co硬质合金中硬质相与粘结相之间的结合强度，使整个材料的构架具有最优的力学性能。实施案例6：WC晶粒间展现了完全的共格晶界取向，晶界具有能量最低、存在状态最稳定的特点，在受到应力时可以最大限度地吸收外界能量后才发生变形断裂，此种结合状态的晶界也具有较好的力学性能，可以增加材料的硬度、韧性和强度。实施案例7：与WC晶粒接触的石墨烯具有非常好的柔韧性，在界面处原子的畸变形成了与WC晶粒中原子较高的匹配，WC晶粒原子基本没有应变，而石墨烯中原子排列发生了很大程度的弯曲和变形，但依然保持了原子的有序排列。可见石墨烯能起到合金中吸收应力的作用。石墨烯通过自身变形且不断裂，可以抵消外界所做的功，也可以很好地阻止位错裂纹的扩展，保护了WC晶粒的完整性，协同粘结相共本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯碳源WC‑Co硬质合金，制备原料包括：直径为5~10μm的分散在有机溶剂N‑甲基吡咯烷酮中的十层石墨烯，纯度为99.5%、平均粒径为50μm的蓝钨（WO2.9）以及纯度为98.5%、平均粒径为35μm氧化钴（Co3O4）。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯碳源WC-Co硬质合金，制备原料包括：直径为5~10μm的分散在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中的十层石墨烯，纯度为99.5%、平均粒径为50μm的蓝钨（WO2.9）以及纯度为98.5%、平均粒径为35μm氧化钴（Co3O4）。2.根据权利要求1所述的石墨烯碳源WC-Co硬质合金，其特征是石墨烯碳源WC-Co硬质合金的制备步骤为：按实验设计方案称取石墨烯、蓝钨以及氧化钴进行配料，随后加至硬质合金球磨罐中进行球磨，球磨介质为乙醇，球磨转速为180r/min，球磨时间分别为30、40、50h，然后将粉料进行真空干燥，并在850℃的温度下进行还原碳化反应，反应时间为1h，在还原碳化好的粉末中加入一定量的晶粒长大抑制剂VC并继续球磨，球磨时间为10h，接着对复合粉末进行放电等离子烧结致密化，烧结温度为1130℃，保温5min，烧结压力为60Mpa。3.根据权利要求1所述的石墨烯碳源WC-Co硬质合金，其特征是石墨烯碳源WC-Co硬质合金的检测步骤为：物相分析采用D/max-3型X射线衍射仪...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启乐，
申请(专利权)人：刘启乐，
类型：发明
国别省市：辽宁,21