一種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明首先按比例稱取WC、金屬Co粉末和cBN原料，并均勻混合，采用球磨混料，將經(jīng)球磨混合好的原料在50~200℃烘箱中干燥后，再經(jīng)100~300目過(guò)篩處理后待用將干燥好的原料裝入模具后，置于熱壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐以30~50℃/min速度升溫至1200~1400℃，并保溫5~30分鐘，壓力保持在20~50MPa，得到WC-Co-cBN復(fù)合材料。本發(fā)明采用熱壓燒結(jié)的方法，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間較短，即可保證cBN不相變，也可使材料有大的收縮率和高的體積密度，且熱壓燒結(jié)能耗小，成本低，易操作，安全系數(shù)大。
【專利說(shuō)明】—種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金(WC-Co復(fù)合材料)具有高硬度、強(qiáng)度，良好的耐磨性和導(dǎo)熱性能等優(yōu)異性能，已在合金加工、鑿巖勘探、高性能磨具方面有著廣泛的應(yīng)用。但隨著我國(guó)汽車工業(yè)、機(jī)械制造、航空航天、軍工等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，迫切需求更高性能、更廣應(yīng)用范圍的硬質(zhì)合金材料。但該復(fù)合材料中“不可調(diào)和的矛盾”，即硬度和韌性的矛盾制約了材料的發(fā)展。
[0003]cBN稱為立方氮化硼，屬共價(jià)鍵化合物，有著高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和電阻率及僅次于金剛石的硬度。近十幾年來(lái)，cBN結(jié)合陶瓷復(fù)合材料逐漸得到人們的普遍關(guān)注，材料工作者們開始嘗試各種制備方法以期獲得成本低、密度高且性能優(yōu)異的陶瓷結(jié)合cBN復(fù)合材料。cBN以微米級(jí)顆粒的形式添加在硬質(zhì)合金中，不僅對(duì)耐磨性能有所提高，而且由于cBN對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用，復(fù)合材料的韌性會(huì)有明顯提高。因此，WC-Co-cBN復(fù)合材料有巨大潛力成為解決硬質(zhì)合金硬度和韌性矛盾的復(fù)合材料。
[0004]但是由于WC難以燒結(jié)，即使添加Co作為粘結(jié)劑，燒結(jié)溫度仍然在1350°C以上，且由于cBN顆粒在金屬和高溫的作用下穩(wěn)定性下降等因素，制備高性能的WC-Co-cBN復(fù)合材料十分困難。目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備主要有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓和放電等離子燒結(jié)等方法。以上各種制備工藝均有可取之處，但是在保證材料性能的同時(shí)，如何降低生產(chǎn)的成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)成為亟待突破的難關(guān)。因此選擇合理的燒結(jié)方法、燒結(jié)制度和合適的原料粒度是降低燒結(jié)溫度和保證cBN穩(wěn)定，最終制備出高密度、硬度和耐磨性WC-Co-cBN復(fù)合材料的關(guān)鍵。熱壓燒結(jié)制備硬質(zhì)合金材料已成為工業(yè)生產(chǎn)的可行手段，但目前有關(guān)熱壓燒結(jié)法合成WC-Co-cBN復(fù)合材料的報(bào)道尚不多見，國(guó)外的報(bào)道多為熱等靜壓(Martinez, V, et al.Spain)或者放點(diǎn)等離子燒結(jié)(Yaman, B, et al.Turkey)制備WC-Co-cBN復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)也只有2007年4月武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的一篇文獻(xiàn)報(bào)道(熱壓制備WC-Co-cBN復(fù)合材料)，他們的研究為表面鍍鈦后的cBN (0.15~0.375mm)，在1380°C熱壓燒結(jié)對(duì)WC-Co-cBN復(fù)合材料性能的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法，目的是在較低的燒結(jié)溫度下獲得高密度、高韌性且性能優(yōu)良的WC-Co-cBN復(fù)合材料。
[0006]一種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(1)首先按比例稱取WC、金屬Co粉末和CBN原料，并均勻混合，采用球磨混料，球磨時(shí)間為15~20小時(shí)，混料轉(zhuǎn)速為150~350轉(zhuǎn)/分；
(2)將經(jīng)球磨混合好的原料在5(T200°C烘箱中干燥后，再經(jīng)100-300目過(guò)篩處理后待用；
(3)將干燥好的原料裝入模具后，置于熱壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐以3(T50°C/min速度升溫至120(Tl400°C，并保溫5~30分鐘，壓力保持在2(T50MPa，得到WC-Co-cBN復(fù)合材料。
[0007]所述的原料中，WC和金屬Co的質(zhì)量比為(97~90): (3~10)，cBN占原料體積分?jǐn)?shù)為3~10% ;其中WC的粒度為200nm，金屬Co的粒度為100目，cBN的粒度為0.5~1.5 μ m。
[0008]所述的球磨時(shí)，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，磨球?yàn)锳l2O3球。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是:
(I)本發(fā)明中將0.5^1.5 μ m的CBN和硬質(zhì)合金復(fù)合，cBN均勻彌散分布在整個(gè)硬質(zhì)合金基體中。材料受力產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展到cBN附近時(shí)，cBN作為硬質(zhì)點(diǎn)阻礙裂紋擴(kuò)展，裂紋只能繞過(guò)cBN顆粒。裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，增加了裂紋擴(kuò)展的行程，同時(shí)吸收大多數(shù)能量，裂紋走過(guò)的軸向位移大大減少，從而材料的斷裂韌性明顯提高。而目前硬質(zhì)合金的韌性增加多依靠增加Co的含量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但Co作為金屬，含量越高硬質(zhì)合金的耐磨性和硬度相應(yīng)減小，此外，加工活潑金屬(如鈦合金)時(shí)，硬質(zhì)合金的粘刀現(xiàn)象更加明顯，刀具的使用壽命也降低。
[0010](2)切割鈦合金等的刀具的磨損是影響刀具使用壽命的重要因素。刀具在低速時(shí)主要是磨粒磨損，在高速時(shí)主要是粘結(jié)磨損和氧化磨損。cBN作為B原子和N原子的共價(jià)鍵化合物，鍵長(zhǎng)短，化學(xué)惰性高，其制品是加工活潑金屬的理想材料。cBN的加入可使硬質(zhì)合金的耐磨性提聞。
[0011](3)目前制備硬質(zhì)合金多用氣壓燒結(jié)方法，該法通常需要很高的燒結(jié)溫度和長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間。因此，WC晶粒極易長(zhǎng)大，且刀片表面脫碳嚴(yán)重。這就是難以制的超細(xì)晶、高密度、穩(wěn)定表面和長(zhǎng)使用壽命刀具的原因。此外，氣壓燒結(jié)硬質(zhì)合金溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，能耗也大。
[0012]本發(fā)明采用熱壓燒結(jié)的方法，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間較短，即可保證cBN不相變，也可使材料有大的收縮率和高的體積密度。且熱壓燒結(jié)能耗小，成本低，易操作，安全系數(shù)大。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1~3中制備的WC-Co-cBN復(fù)合材料的SEM形貌照片；
其中:(a)為實(shí)施例1 ; (b)為實(shí)施例2 ; (C)為實(shí)施例3 ；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中的WC-Co-cBN復(fù)合材料在500、3000和20000倍數(shù)的顯微鏡下的形貌圖片；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例3中的WC-Co-cBN復(fù)合材料在500、3000和20000倍數(shù)的顯微鏡下的形貌圖片；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例4中的WC-Co-cBN復(fù)合材料在在500、3000和20000倍數(shù)的顯微鏡下的形貌圖片。

【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)制備得到的WC-Co-cBN復(fù)合材料進(jìn)行SEM分析采用的儀器型號(hào)為JEOL JEM-7001F型掃面電子顯微鏡；
密度測(cè)試是采用阿基米德排水法，硬度測(cè)試采用維氏硬度計(jì)的型號(hào)為450SVD，斷裂韌性測(cè)試采用壓痕法，抗彎強(qiáng)度測(cè)試采用三點(diǎn)抗彎法。
[0015]本發(fā)明實(shí)施例中的碳化鎢粉末粒徑為200nm，其質(zhì)量純度為99.9% ;金屬鈷粉末粒徑為100目，其質(zhì)量純度為99.9% ;立方氮化硼粒徑為0.5^1.5 μ m，其質(zhì)量純度> 99.9%。
[0016]實(shí)施例1
(1)首先按比例稱取WC、金屬Co粉末和cBN原料，WC和金屬Co的質(zhì)量比為94: 6，cBN占原料體積分?jǐn)?shù)為3%，均勻混合后采用球磨混料，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇,磨球?yàn)锳l2O3球，球磨時(shí)間為20小時(shí)，混料轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分；
(2)將經(jīng)球磨混合好的原料在100°C烘箱中干燥后，再經(jīng)200目過(guò)篩處理后待用；
(3)將干燥好的原料裝入模具后，置于熱壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐以50°C/min速度升溫至1280 0C，并保溫15分鐘，壓力保持在30MPa，得到WC-Co-cBN復(fù)合材料。
[0017]其SEM圖如圖1 (a)和圖2所示，從圖中可以看出，cBN都均勻分布在硬質(zhì)合金基體上，平面圖中cBN都是多邊形的，表明cBN顆粒保存了原料的多面體形狀，即cBN在燒結(jié)過(guò)程中沒有轉(zhuǎn)變成hBN，再者，cBN與硬質(zhì)合金的相界面處，沒有明顯的cBN與硬質(zhì)合金分離的現(xiàn)象，說(shuō)明cBN和硬質(zhì)合金有穩(wěn)定的界面結(jié)合力。最后，有少量的坑洞留在基體上，是因?yàn)閏BN很硬，在磨樣或拋光的過(guò)程中，少量掉落的原因。
[0018]經(jīng)檢測(cè)，其密度為14.lg/cm3,硬度為24.4GPa,斷裂韌性5.8MPa.m1/2，抗彎強(qiáng)度1073MPa。
[0019]實(shí)施例2
(1)首先按比例稱取WC、金屬Co粉末和CBN原料，WC和金屬Co的質(zhì)量比為97: 3，cBN占原料體積分?jǐn)?shù)為5%，均勻混合后采用球磨混料，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇,磨球?yàn)锳l2O3球，球磨時(shí)間為15小時(shí)，混料轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分； (2)將經(jīng)球磨混合好的原料在50°C烘箱中干燥后，再經(jīng)100目過(guò)篩處理后待用；
(3)將干燥好的原料裝入模具后，置于熱壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐以30°C/min速度升溫至1200 0C，并保溫30分鐘，壓力保持在50MPa，得到WC-Co-cBN復(fù)合材料。
[0020]其SEM圖如圖1 (b)所示，從圖中可以看出，cBN都均勻分布在硬質(zhì)合金基體上，平面圖中cBN都是多邊形的，表明cBN顆粒保存了原料的多面體形狀，即cBN在燒結(jié)過(guò)程中沒有轉(zhuǎn)變成hBN，再者，cBN與硬質(zhì)合金的相界面處，沒有明顯的cBN與硬質(zhì)合金分離的現(xiàn)象，說(shuō)明cBN和硬質(zhì)合金有穩(wěn)定的界面結(jié)合力。最后，有少量的坑洞留在基體上，是因?yàn)閏BN很硬，在磨樣或拋光的過(guò)程中，少量掉落的原因。
[0021]經(jīng)檢測(cè)，其密度為14.0g/cm3,硬度為23.6GPa,斷裂韌性6.1MPa.m1/2，抗彎強(qiáng)度1168MPa。
[0022]實(shí)施例3
Cl)首先按比例稱取WC、金屬Co粉末和CBN原料，WC和金屬Co的質(zhì)量比為90: 10，cBN占原料體積分?jǐn)?shù)為7%，均勻混合后采用球磨混料，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，磨球?yàn)锳l2O3球，球磨時(shí)間為18小時(shí)，混料轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分；
(2)將經(jīng)球磨混合好的原料在200°C烘箱中干燥后，再經(jīng)300目過(guò)篩處理后待用；
(3)將干燥好的原料裝入模具后，置于熱壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐以40°C/min速度升溫至1300 0C，并保溫5分鐘，壓力保持在20MPa，得到WC-Co-cBN復(fù)合材料。
[0023]其SEM圖如圖1 (C)和圖2所示，從圖中可以看出，cBN都均勻分布在硬質(zhì)合金基體上，(a)、(b)、(c)中，cBN的含量逐漸增加。平面圖中cBN都是多邊形的，表明cBN顆粒保存了原料的多面體形狀，即cBN在燒結(jié)過(guò)程中沒有轉(zhuǎn)變成hBN，再者，cBN與硬質(zhì)合金的相界面處，沒有明顯的cBN與硬質(zhì)合金分離的現(xiàn)象，說(shuō)明cBN和硬質(zhì)合金有穩(wěn)定的界面結(jié)合力。最后，有少量的坑洞留在基體上，是因?yàn)閏BN很硬，在磨樣或拋光的過(guò)程中，少量掉落的原因。
[0024]經(jīng)檢測(cè)，其密度為13.8g/cm3,硬度為22.4GPa,斷裂韌性13.8MPa *m1/2,抗彎強(qiáng)度1430MPa。
[0025]實(shí)施例4
Cl)首先按比例稱取WC、金屬Co粉末和CBN原料，WC和金屬Co的質(zhì)量比為95: 5，cBN占原料體積分?jǐn)?shù)為10%，均勻混合后采用球磨混料，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，磨球?yàn)锳l2O3球，球磨時(shí)間為16小時(shí)，混料轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分；
(2)將經(jīng)球磨混合好的原料在200°C烘箱中干燥后，再經(jīng)250目過(guò)篩處理后待用；
(3)將干燥好的原料裝入模具后，置于熱壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐以45°C/min速度升溫至1280 0C，并保溫15分鐘，壓力保持在40MPa，得到WC-Co-cBN復(fù)合材料。
[0026]其SEM圖如圖4所示，從圖中可以看出，cBN都均勻分布在硬質(zhì)合金基體上，平面圖中cBN都是多邊形的，表明cBN顆粒保存了原料的多面體形狀，即cBN在燒結(jié)過(guò)程中沒有轉(zhuǎn)變成hBN，再者，cBN與硬質(zhì)合金的相界面處，沒有明顯的cBN與硬質(zhì)合金分離的現(xiàn)象，說(shuō)明cBN和硬質(zhì)合金有穩(wěn)定的界面結(jié)合力。最后，有少量的坑洞留在基體上，是因?yàn)閏BN很硬，在磨樣或拋光的過(guò)程中，少量掉落的原因。
[0027]經(jīng)檢測(cè)，其密度為12.6g/cm3,硬度為16.7GPa,斷裂韌性5.3MPa.m1/2，抗彎強(qiáng)度1062MPa。
[0028]實(shí)施例5
Cl)首先按比例稱取WC、金屬Co粉末和CBN原料，WC和金屬Co的質(zhì)量比為90: 10，cBN占原料體積分?jǐn)?shù)為7%，均勻混合后采用球磨混料，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，磨球?yàn)锳l2O3球，球磨時(shí)間為18小時(shí)，混料轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分；
(2)將經(jīng)球磨混合好的原料在200°C烘箱中干燥后，再經(jīng)300目過(guò)篩處理后待用；
(3)將干燥好的原料裝入模具后，置于熱壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐以40°C/min速度升溫至1400 0C，并保溫5分鐘，壓力保持在20MPa，得到WC-Co-cBN復(fù)合材料。
[0029]經(jīng)檢測(cè)，其密度為13.3g/cm3,硬度為14.7GPa,斷裂韌性7.7MPa.m1/2，抗彎強(qiáng)度1122MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: (1)首先按比例稱取WC、金屬Co粉末和cBN原料，并均勻混合，采用球磨混料，球磨時(shí)間為15~20小時(shí)，混料轉(zhuǎn)速為150~350轉(zhuǎn)/分； (2)將經(jīng)球磨混合好的原料在5(T200°C烘箱中干燥后，再經(jīng)100-300目過(guò)篩處理后待用； (3)將干燥好的原料裝入模具后，置于熱壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐以3(T50°C/min速度升溫至120(Tl400°C，并保溫5~30分鐘，壓力保持在2(T50MPa，得到WC-Co-cBN復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的原料中，WC和金屬Co的質(zhì)量比為(97~90): (3~10)，cBN占原料體積分?jǐn)?shù)為3~10% ;其中WC的粒度為200nm，金屬Co的粒度為100目，cBN的粒度為0.5^1.5 μ m。
3.根據(jù)權(quán) 利要求1所述的一種WC-Co-cBN復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的球磨時(shí),球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇,磨球?yàn)锳l2O3球。
【文檔編號(hào)】C22C1/10GK104073665SQ201410294077
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】岳新艷, 王建軍, 何超, 石曉飛, 茹紅強(qiáng) 申請(qǐng)人:東北大學(xué)