一种低温烧结高韧耐磨WC陶瓷及其制备方法技术

一种低温烧结高韧耐磨WC陶瓷及其制备方法，涉及一种陶瓷材料及其制备方法。目的是解决现有WC陶瓷烧结温度过高、韧性差、耐磨性不足的问题。高韧耐磨WC陶瓷按质量分数由4～10％的ZrO

【技术实现步骤摘要】
一种低温烧结高韧耐磨WC陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
碳化钨陶瓷是一种物理化学性能稳定、耐高温、耐磨、硬度极高的材料，在切削刀具、采掘、机械及高温高载荷下精密关键部位有着广泛应用。虽然碳化钨陶瓷性能优越，但其存在着烧结温度过高、韧性差的问题，因此传统的WC材料采用Co作为粘结剂烧结而成，虽然有效降低了烧结温度和提升了韧性，但高温下由于粘结相Co的软化，WC材料的硬度和强度均会剧烈降低，使得传统的WC-Co材料的应用受到极大限制。目前国内外通过开发无粘结相WC陶瓷来替代WC-Co材料，虽然WC陶瓷能够满足特殊环境如高温高压下应用领域的要求，但纯的WC材料烧结温度高，通常难以烧结致密，基于此，专利“碳化钨陶瓷材料的制备方法”(公开号CN107522490A)通过热压烧结和热等静压工艺实现了WC陶瓷的致密烧结，但烧结温度高达到1900～2000℃且韧性较低。为了提升其力学性能使其各方面性能达到均衡，“一种高性能碳化钨陶瓷材料”(公开号CN106631024A)“一种碳化钨-硅化钨-氮化硅复合陶瓷材料及其制备方法”(公开号CN105801120A)专利公开了通过向WC体系中添加第二相组分对其力学性能进行改善，但是其韧性提升不明显，也没有考虑到应用过程中的摩擦磨损问题。为了进一步提升韧性和耐磨性，专利“自生氮化硅晶须增韧碳化钨复合材料及其制备方法”(公开号CN102701773A)公开了通过原位生成晶须的方式对其力学性能进行改善，虽然韧性提升显著，但是硬度下降明显难以满足实际应用的要求。“一种无粘结相WC基硬质合金刀具材料及其制备方法”(公开号CN111056852A)共开了一种多元组分包括氧化物、碳化物、碳纳米管和石墨烯等复合增强韧性和耐磨性，但是其制备工艺复杂，成本较高难以得到有效的推广应用。因此获得一种价格低廉的、能在较低温度烧结致密且力学性能优良耐磨的WC陶瓷尤为必要。
技术实现思路
本专利技术针对现有WC陶瓷烧结温度过高、韧性差、耐磨性不足的问题，提出一种低温烧结高韧耐磨WC陶瓷及其制备方法。本专利技术低温烧结高韧耐磨WC陶瓷按质量分数由4～10％的ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体、0.1～1％的膨胀石墨和余量的WC粉体制备而成。本专利技术低温烧结高韧耐磨WC陶瓷的制备方法按照以下步骤进行：步骤一：按质量分数称取4～10％的ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体、0.1～1％的膨胀石墨和余量的WC粉体；所述WC粉体的平均粒径≤300nm，所述ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体的平均粒径≤300nm。所述WC粉体的纯度≥99.9wt％，所述ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体中Al2O3的含量为20wt％，Y2O3的含量为3～4wt％，ZrO2+Y2O3+Al2O3≥99.9wt％；所述ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体是以氧氯化锆、氯化铝和氯化钇为原料，采用水热法制备而成；所述的ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体的制备方法按以下步骤进行：称取ZrOCl2·8H2O、YCl3·6H2O和AlCl3·6H2O配置成溶质浓度0.2mol/L的盐溶液，盐溶液的溶质中Al元素的摩尔百分比为37.6％，Y元素的摩尔百分比为2.5～3.4％，余量为Zr元素。向盐溶液中加入无水乙醇和聚乙二醇，无水乙醇与盐溶液等体积，盐溶液中聚乙二醇加入量为20g/L，均匀混合后使用恒温磁力搅拌器搅拌2h，然后加入氨水生成白色絮状凝胶，用去离子水反复洗涤絮状凝胶直至无Cl-产生，再用无水乙醇洗三次，得到前驱液，随后滴加硝酸和氨水调节前驱液的pH＝10，并继续搅拌30min得到化学组份均匀的前驱液，将前驱液装入高压反应釜中，在180℃下水热反应5h；对反应所得产物过滤，用去离子水反复洗涤，再用无水乙醇洗三次，然后在70℃干燥24h，得到均匀的ZrO2(Y2O3)-Al2O3前驱体粉体，最后将得到的前驱体粉体在1000℃下煅烧3h，即得到平均粒径≤300nm的ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体；步骤二：首先将膨胀石墨加入液体介质中进行超声搅拌，随后加入WC粉体和ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体后再次超声搅拌，得到混合溶液；所述液体介质为无水乙醇、工业酒精或去离子水；所述膨胀石墨在液体介质中超声搅拌1h，加入WC粉体和ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体后再次超声搅拌1h；步骤三：将混合溶液进行球磨，得到陶瓷浆料，烘干和筛分，得到陶瓷粉体；所述混合溶液进行球磨的时间为24h；所述筛分时过80目筛；所述球磨采用行星式球磨机，研磨球材质为碳化钨，混合溶液和研磨球的质量比为1:(3～10)；步骤四：陶瓷粉体烧结，得到高韧耐磨WC陶瓷；所述陶瓷粉体烧结工艺为：采用振荡压力烧结：升温速度为10℃/min，烧结温度为1700～1800℃，烧结时间为60～90min，1200℃前向烧结对象施加10MPa的恒定压力，超过1200℃后向烧结对象施加恒定压力和振荡压力，恒定压力20～60MPa，振荡压力±2～±6MPa，振荡频率为1～4Hz，烧结气氛为真空或高纯氩气气氛。本专利技术原理及有益效果：1、本专利技术振荡压力烧结过程中动态的压力在烧结过程中提升了烧结驱动力，能尽可能排除陶瓷内闭口气孔，促进了WC陶瓷基体的致密化行为，提高可靠性并增强力学性能；球磨后的膨胀石墨全部转变为片状的氧化石墨烯纳米片，动态的压力促进了氧化石墨烯纳米片的滑移，提升了基体的致密化，以上原因使得基体实现完全致密化，使得断裂韧性提升。2、在振荡压力条件下，氧化石墨烯纳米片定向排布，裂纹扩展中氧化石墨烯纳米片拔出和氧化石墨烯纳米片偏转裂纹消耗了裂纹拓展的能量；同时Y2O3稳定的ZrO2冷却后保持t-ZrO2的物相，相变增韧有效抑制了裂纹的扩展，Al2O3颗粒弥散增韧也有效提升了韧性，以及由于ZrO2-Al2O3颗粒作用形成“裂纹桥接”、导致更多的“裂纹偏转”等消耗能量有效提升了断裂韧性，因此，由于ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体和氧化石墨烯纳米片的协同，使得断裂韧性进一步提升，强度提高。2、由于片状氧化石墨烯纳米片嵌于颗粒之中，充当摩擦层，氧化石墨烯纳米片有良好的润滑性，这种润滑相对耐磨性有良好的提升。同时由于力学性能的提升，尤其是强度和韧性的提升有效限制了摩擦过程中裂纹的产生和延展，提升了耐磨性，其使用寿命的提升，使其工业应用领域更加广泛。3、本专利技术采用氧化物ZrO2(Y2O3)-Al2O3作为烧结助剂，显著降低了WC基陶瓷致密烧结温度。本专利技术添加价格低廉的膨胀石墨，降低了成本，使其工业应用领域更加广泛。4、本专利技术制备的WC基陶瓷方法简单价格低廉，拥有良好的韧性以及优异的耐磨性，产品致密度均达到99％以上，可靠性强。制备出的WC基陶瓷力学性能优良，其中维氏硬度达到25～28GPa，断裂韧性可达8～11MPa·m1/2，抗弯强度可达1200～1500MPa。采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温烧结高韧耐磨WC陶瓷，其特征在于：低温烧结高韧耐磨WC陶瓷按质量分数由4～10％的ZrO

【技术特征摘要】
1.一种低温烧结高韧耐磨WC陶瓷，其特征在于：低温烧结高韧耐磨WC陶瓷按质量分数由4～10％的ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体、0.1～1％的膨胀石墨和余量的WC粉体制备而成。


2.如权利要求1所述的低温烧结高韧耐磨WC陶瓷的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
步骤一：按质量分数称取4～10％的ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体、0.1～1％的膨胀石墨和余量的WC粉体；
步骤二：首先将膨胀石墨加入液体介质中进行超声搅拌，随后加入WC粉体和ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体后再次超声搅拌，得到混合溶液；
步骤三：将混合溶液进行球磨，得到陶瓷浆料，烘干和筛分，得到陶瓷粉体；
步骤四：陶瓷粉体烧结，得到高韧耐磨WC陶瓷；
所述陶瓷粉体烧结工艺为：采用振荡压力烧结：升温速度为10℃/min，烧结温度为1700～1800℃，烧结时间为60～90min，1200℃前向烧结对象施加10MPa的恒定压力，超过1200℃后向烧结对象施加恒定压力和振荡压力，恒定压力20～60MPa，振荡压力±2～±6MPa，振荡频率为1～4Hz，烧结气氛为真空或高纯氩气气氛。


3.根据权利要求2所述的低温烧结高韧耐磨WC陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤一所述WC粉体的平均粒径≤300nm，所述ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体的平均粒径≤300nm。


4.根据权利要求2所述的低温烧结高韧耐磨WC陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤一所述WC粉体的纯度≥99.9wt％，所述ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体中Al2O3的含量为20wt％，Y2O3的含量为3～4wt％，ZrO2+Y2O3+Al2O3≥99.9wt％。


5.根据权利要求2所述的低温烧结高韧耐磨WC陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤一所述ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合粉体是以氧氯化锆、氯化铝和氯化钇为原料，采用水热法制...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱天彬，程勇，李亚伟，桑绍柏，廖宁，王庆虎，徐义彪，梁雄，戴金宁，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42