一种钴包覆型钛硬质合金材料及其制备方法
【专利摘要】一种钴包覆型钛硬质合金材料及其制备方法，涉及合金材料领域，硬质合金的主要成分为碳化钛、碳化铝、碳化硅、碳化铌和包覆的金属钴，其中钛、铝、硅和铌在材料中的物质的量比为1：0.05-0.15：0.06-0.18：0.03-0.09；包覆层为钴纳米粒子层，厚度50-200nm。该硬质合金材料的制备方法，是对四种元素的氧化物进行高温碳化，而后粉碎至相应粒度后，进行Co金属粒子的包覆，最后经过煅烧制备。本发明提供的钴包覆型钛硬质合金材料及其制备方法，是在四种元素碳化物的粉体上包覆一层Co金属纳米粒子层，再通过高温法使材料成型。成型后的钛硬质合金材料，不仅具有较高的致密度，同时具有较高的拉伸强度和韧性。
【专利说明】一种钴包覆型钛硬质合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金【技术领域】，特别涉及一种具有可塑性、机械性能强同时具备较好 强度和韧性的钴包覆型钛硬质合金材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 纯钛机械性能强，可塑性好，易于加工，如有杂质，特别是0、N、C提高钛的强度和 硬度，但会降低其塑性，增加脆性。同时，钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜 在受到破坏后还能自行愈合。因此，钛和钛合金有优异的耐蚀性，特别是性能稳定，远优于 不锈钢。
[0003] 液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元 素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善钛的性能，以适应不同的需要。
[0004] 鉴于钛及钛合金优异的性能，钛享有"未来的金属"的美称，钛合金已广泛用于国 民经济各部门。
[0005] 申请号为201310251700. 3的专利文献"一种钛合金"，公开了一种钛合金，所述 合金的组成为（以重量％计）：0.25 %至0.29 %的碳；0· 10 %至L 20 %的锰；0.09 %至 0· 13%的磷；(λ 10%至(λ 19%的碲；(λ 60%至L 00%的锑；彡(λ 09%的铝；彡(λ 01 %的氮； 0. 45%至 0. 83% 的铬；0. 04%至 0. 07% 的铌；< 0. 50% 的铜；0. 25%至 0. 70% 的镧；0. 2% 至 2. 00% 的铈；0· 2%至 0· 4% 的钒；0· 0075%至 0· 0095% 的钨；0· 010%至 0· 050% 的钛： 其余为铁和不可避免的杂质。由此可知，该钛合金的组分较多，范围包括到金属和少量非金 属，其中钛的含量较低，〇. 010% -〇. 050%的钛并不能发挥钛的优异性能，因此，该合金并不 是"钛合金"，而是一种多金属合金，其性能主要是通过添加的多种金属来实现，并没有体现 钛的优良性能。
[0006] 申请号为201310195627. 2的专利文献"一种碳化钒钛基硬质合金"，公开了一种 含钛硬质合金，该合金由以下重量百分数的原料组成：该硬质合金所含元素及各元素的质 量百分比分别为：V，其含量为39. 06-43. 65% ;Ti，其含量为36. 75-41. 08% ;Fe，其含量为 0. 5% -5%;C，其含量为9. 19-10. 27%;余量是钴和杂质。该技术方案中为弥补钴粘结碳化 钨硬质合金的不足，以碳化钒钛代替碳化钨，所以碳化钒钛基硬质合金弥补了钴粘结碳化 钨硬质合金的不足，且经济上更优越，但虽然具有一定的机械性能，但是硬度和拉伸强度没 有提高，所以这个硬质合金的硬度和强度均较低。
【发明内容】
[0007] 本发明解决的技术问题：针对现有技术的缺陷，克服现有技术的不足，本发明提供 一种钴包覆型钛硬质合金材料及其制备方法。
[0008] 本发明的技术方案：一种钴包覆型钛硬质合金材料，硬质合金材料中，主要成分为 碳化钛、碳化铝、碳化硅、碳化铌和包覆的金属钴，其中钛、铝、硅和铌在材料中的物质的量 比为：1 :0· 05-0. 15 :0· 06-0. 18 :0· 03-0. 09 ;
[0009] 包覆层为金属钴纳米粒子层，厚度为50_200nm。
[0010] 作为优选，材料中钛和铝的物质的量比为1:0. 8-0. 12。
[0011] 作为优选，材料中钛和铌的物质的量比为1:0. 05。
[0012] 作为优选，金属钴纳米粒子层，厚度为70-120nm。
[0013] 一种钴包覆型钛硬质合金材料的制备方法，制备步骤如下：
[0014] (1)根据物质的量比称取钛、铝、硅和铌的氧化物，混合均匀；
[0015] (2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度1800°C -2300°C，时间l_3h ;
[0016] (3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，放入研磨机研磨至粉料；
[0017] (4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至ΙΟ-lOOPa，预热至600-800°C， 以二茂钴为前驱体，控制原料的蒸发温度为130-160°C，通入氩气，反应室旋转速率为 30-60r/min，反应时间30-60min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
[0018] (5)将包覆后的粉体混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度8000-1200°C，时间 l-3h，待冷却至室温，取出，即得到钴包覆型钛硬质合金材料。
[0019] 作为优选，步骤（3)得到的粉料的平均粒径为0. 1-lOum。
[0020] 作为优选，步骤（4)化学气相沉积反应中通入的氦气的气体流量为10_50sccm。
[0021] 作为优选，称取碳化钛、碳化铝、碳化硅和碳化铌粉料，放入球磨机，混合均匀后进 行步骤（4)和步骤（5)，得到钴包覆型钛硬质合金材料。
[0022] 有益效果：本发明提供的钴包覆型钛硬质合金材料及其制备方法，选择钛、铝、硅 和铌为主要成分，并控制钛、铝、硅和铌四种元素的含量，使得钛硬质合金具有一定的强度 和韧性，同时不尚失可塑性。同时，在四种元素碳化物的粉体上包覆一层Co金属纳米粒子 层，再通过高温法使材料成型。成型后的材料，四种元素碳化物构成的一个个亚微米级或微 米级的基团，这种基团本身即具备高强度和韧性的特点，在通过Co纳米粒子层的包覆和黏 结作用，使得基团本身的性能更趋于稳定，且基团之间相互连接更为紧密，因此，制备的钛 硬质合金，不仅具有较高的致密度，同时具有较高的拉伸强度和韧性。
【具体实施方式】
[0023] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是 应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。
[0024] 实施例1 :
[0025] 根据发明提供的制备方法制备钴包覆型钛硬质合金材料，步骤如下：
[0026] (1)根据物质的量比称取钛、铝、硅和铌的氧化物，混合均匀；
[0027] 其中，钛、铝、硅和铌在材料中的物质的量比为1 :0. 05 :0. 06 :0. 03 ;
[0028] (2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200°C，时间2h ;
[0029] (3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，放入研磨机研磨至粉料，平均粒径 为 0· 5um ;
[0030] (4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至30Pa，预热至700°C，以二茂钴为 前驱体，控制原料的蒸发温度为135°C，通入氩气，氩气的气体流量为3〇 SCCm，反应室旋转 速率为30r/min，反应时间45min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
[0031] 经检测，粉体材料中包覆的Co金属纳米粒子层的厚度为70nm ;
[0032] (5)将包覆后的粉体混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1100°C，时间2h，待 冷却至室温，取出，即得到钴包覆型钛硬质合金材料。
[0033] 实施例2 :
[0034] 根据发明提供的制备方法制备钴包覆型钛硬质合金材料，步骤如下：
[0035] (1)根据物质的量比称取钛、铝、硅和铌的氧化物，混合均匀；
[0036] 其中，钛、铝、硅和铌在材料中的物质的量比为：1 :0. 15 :0. 18 :0. 09 ;
[0037] (2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200°C，时间3h ;
[0038] (3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，放入研磨机研磨至粉料，平均粒径 为 0· 5um ;
[0039] (4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至800°C，以二茂钴为 前驱体，控制原料的蒸发温度为150°C，通入氩气，氩气的气体流量为3〇 SCCm，反应室旋转 速率为45r/min，反应时间45min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
[0040] 经检测,粉体材料中包覆的Co金属纳米粒子层的厚度为180nm ;
[0041] (5)将包覆后的粉体混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1100°C，时间2h，待 冷却至室温，取出，即得到钴包覆型钛硬质合金材料。
[0042] 实施例3 :
[0043] 根据发明提供的制备方法制备钴包覆型钛硬质合金材料，步骤如下：
[0044] (1)根据物质的量比称取钛、铝、硅和铌的氧化物，混合均匀；
[0045] 其中，钛、铝、硅和铌在材料中的物质的量比为：1 :0. 8 :0. 12 :0. 05 ;
[0046] (2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200°C，时间2h ;
[0047] (3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，放入研磨机研磨至粉料，平均粒径 为 0· 5um ;
[0048] (4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至50Pa，预热至700°C，以二茂钴为 前驱体，控制原料的蒸发温度为145°C，通入氩气，氩气的气体流量为4〇 SCCm，反应室旋转 速率为60r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
[0049] 经检测，粉体材料中包覆的Co金属纳米粒子层的厚度为；厚度为120nm ;
[0050] (5)将包覆后的粉体混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1100°C，时间2h，待 冷却至室温，取出，即得到钴包覆型钛硬质合金材料。
[0051] 实施例4:
[0052] 根据发明提供的制备方法制备钴包覆型钛硬质合金材料，步骤如下：
[0053] (1)根据物质的量比称取钛、铝、硅和铌的氧化物，混合均匀；
[0054] 其中，钛、铝、硅和铌在材料中的物质的量比为：1 :0. 12 :0. 15 :0. 06 ;
[0055] (2)将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度2200°C，时间2. 5h ;
[0056] (3)碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，放入研磨机研磨至粉料；平均粒 径为lum。
[0057] (4)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至30Pa，预热至700°C，以二茂钴为 前驱体，控制原料的蒸发温度为140°C，通入氩气，氩气的气体流量为3〇 SCCm，反应室旋转 速率为45r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
[0058] 经检测，粉体材料中包覆的Co金属纳米粒子层的厚度为90nm ;
[0059] (5)将包覆后的粉体混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度1100°C，时间2h，待 冷却至室温，取出，即得到钴包覆型钛硬质合金材料。
[0060] 实施例5 :
[0061] 根据发明提供的制备方法制备钴包覆型钛硬质合金材料，步骤如下：
[0062] (1)称取碳化钛、碳化铝、碳化硅和碳化铌粉料，放入球磨机，混合均匀至平均粒径 为 2um ;
[0063] (2)将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至lOOPa，预热至700°C，以二茂钴为 前驱体，控制原料的蒸发温度为140°C，通入氩气，氩气的气体流量为2〇 SCCm，反应室旋转 速率为60r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
[0064] 经检测，粉体材料中包覆的Co金属纳米粒子层的厚度为IOOnm ;
[0065] (3)将包覆后的粉体混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度8000-1200°C，时间 l-3h，待冷却至室温，取出，即得到钴包覆型钛硬质合金材料。
[0066] 根据申请号为201310195627. 2的专利文献"一种碳化钒钛基硬质合金"公开的技 术方案制备硬质合金，为对照组；将上述实施例和对照组采用维氏硬度压痕法测试合金的 硬度和断裂韧性，拉伸法测试材料的强度，结果如表1所示：
[0067] 表1硬质合金的性能测定
[0068]
【权利要求】
1. 一种钴包覆型钛硬质合金材料，其特征在于：硬质合金材料中，主要成分为碳化钛、 碳化铝、碳化硅、碳化铌和包覆的金属钴，其中钛、铝、硅和铌在材料中的物质的量比为：1: 0. 05-0. 15 ：0. 06-0. 18 ：0. 03-0. 09 ； 包覆层为金属钴纳米粒子层，厚度为50-200nm。
2. 根据权利要求1所述的钴包覆型钛硬质合金材料，其特征在于：材料中钛和铝的物 质的的量比为1:0. 8-0. 12。
3. 根据权利要求1所述的钴包覆型钛硬质合金材料，其特征在于：材料中钛和铌的物 质的的量比为1:0.05。
4. 根据权利要求1所述的钴包覆型钛硬质合金材料，其特征在于：金属钴纳米粒子层， 厚度为7〇_120nm。
5. -种根据权利要求1-4任一项所述的钴包覆型钛硬质合金材料的制备方法，其特征 在于，制备步骤如下： (1) 根据物质的量比称取钛、铝、硅和铌的氧化物，混合均匀； (2) 将混合料放入高温碳化炉中进行碳化，温度1800°C -2300°C，时间l_3h ; (3) 碳化结束后，待冷却至室温，将混合料取出，放入研磨机研磨至粉料； (4) 将粉料放入化学气相沉积反应室，抽真空至10-100Pa，预热至600-80(TC，以二 茂钴为前驱体，控制原料的蒸发温度为130-160°C，通入氩气，反应室旋转速率为30-60r/ min，反应时间30-60min，反应结束后，待冷却至室温，取出； (5) 将包覆后的粉体混合均匀后放入模具进行高温煅烧，温度8000-1200°C，时间 l-3h，待冷却至室温，取出，即得到钴包覆型钛硬质合金材料。
6. 根据权利要求5所述的钴包覆型钛硬质合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（3) 得到的粉料的平均粒径为〇? l-l〇um。
7. 根据权利要求5所述的钴包覆型钛硬质合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（4) 化学气相沉积反应中通入的氦气的气体流量为10_50sccm。
8. 根据权利要求5所述的钴包覆型钛硬质合金材料的制备方法，其特征在于：称取碳 化钛、碳化铝、碳化硅和碳化铌粉料，放入球磨机，混合均匀后进行步骤（4)和步骤（5)，得 到钴包覆型钛硬质合金材料。
【文档编号】C22C29/06GK104313444SQ201410520032
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】翟红波, 杨振枢, 韦洪屹 申请人:苏州博利迈新材料科技有限公司