一种新型超微钻头复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种新型超微钻头复合材料的制备方法，包括：1)制备粒径为0.2～0.4μm的碳化钨粉末；2)碳化钨粉末填入模具内；3)将高强钢内芯压入模具内；4)模具放入真空热压炉中，抽真空；用激光加热器对模具内的碳化钨粉末和高强钢内芯进行加热到1000～1100℃，保温2h以上；在加热的同时对模具施加均衡压力，在挤压、烧结作用下使碳化钨粉末与高强钢内芯复合为一体。本发明所述超微钻头复合材料外部采用超细晶粒的碳化钨材料作为耐磨层，具有优越的硬度、耐磨性和断裂强度；内部采用高强钢高强钢内芯，保证钻头整体的强度和断裂韧性；可以代替现有一体式微钻头材料，减少稀有金属的使用，降低生产成本，保护环境。
【专利说明】
一种新型超微钻头复合材料的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种新型超微钻头复合材料的制备方法。【背景技术】
[0002]随着科学技术的飞速发展，电子消费品不断向多功能化、小型化、轻量化、高密度和高可靠性的方向发展，对生产高密度、高集成、封装化、微细化、多层化的印刷电路板(简称PCB)的要求日益增高，因而对于印制板数控钻孔和微型钻头的研发遇到了越来越大的挑战:PCB的层数越来越多，PCB微孔的直径越来越小，相对应微孔的厚径比也越来越大，布线密度越来越密，对PCB孔质量提出了更高和更严的要求，加工难度进一步增大。
[0003]钻头材料的性能对钻孔质量有着非常重要的影响，又会影响到电镀或其他后续的工序，因此决定了电路板的可靠性。通过系统分析，PCB微钻头的理想材质应具备“三高”的特性，即高耐磨性、高韧性和高热导率，现在多采用晶粒微细化的高韧性硬质合金。
[0004]微钻头通常是由钴钢或细晶碳化钨制成，碳化钨(wc)是目前作为微钻头的应用比较广泛的材料。近年来，碳化钨工业取得的重大成就，碳化钨微钻头在晶粒尺寸、硬度、耐磨性、断裂强度和断裂韧性等方面表现出优异的性能。在过去的10年间，碳化钨的价格在国际原材料市场上极速增长，与此同时，微钻头的产量也在大幅度提高。微钻头主要的原材料钨是一种稀有金属，减少稀有金属的消耗不仅对我国，而且对世界来说都是一个重要的挑战。 为了消化原材料价格的涨幅并提升利润，微钻头的制造商正在探寻新的原材料并致力于开发新的制造工艺。鉴于此，在减少使用稀有金属以有效利用资源的基础上，开发具有优异的综合性能的复合微钻头有着重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种新型超微钻头复合材料的制备方法，外部采用超细晶粒的碳化钨材料作为耐磨层，具有优越的硬度、耐磨性和断裂强度；内部采用高强钢高强钢内芯，保证钻头整体的强度和断裂韧性;本发明所述复合材料可以代替现有一体式微钻头材料，减少稀有金属的使用，降低生产成本，保护环境。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现:
[0007]—种新型超微钻头复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0008]1)将钨粉放置在碳化炉内，加入钨粉重量0.4%?0.6%的碳化钒与钨粉混合均勾;通入以4.0?4.5:1体积比混合的(?和出的混合气体，炉内升温到1000?1300 °C后，保温 lh以上，将钨粉经气相碳化制得含碳量5.0 %?6.0 %的碳化钨粉末，碳化钨粉末的粒径为 0?2?0?4um;
[0009]2)制备好的碳化钨粉末填入模具内，模具安装在压力机上；
[0010]3)制作圆柱形高强钢内芯，表面打磨后涂抹增塑剂和润滑剂，利用高精度计算机定位系统将高强钢内芯放入压力机中心，压力机加压使高强钢内芯进入模具内，并处于模具中心位置；
[0011] 4)将装有碳化钨粉末和高强钢内芯的模具放入真空热压炉中，抽真空，真空度0.8 ?1.2Xl(T4Pa;用激光加热器对模具内的碳化钨粉末和高强钢内芯进行加热，温度为1000 ?1100°C，保温2h以上;在加热的同时对模具施加均衡压力，在挤压、烧结作用下使碳化钨粉末与高强钢内芯复合为一体。
[0012]所述烧结过程中通过设在模具上的热电偶测量实时温度。[0〇13]所述挤压过程中，随着挤压速度的增加相应降低加热温度，挤压速度每增加5%? 10%，温度降低20°C?40°C。
[0014]所述增塑剂为机油或石蜡，润滑剂为矿物油。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果是:[〇〇16] 1)采用气相法制备碳化钨粉末，用CH4和钨(W)粉为原材料，在014和出的混合气氛下，将钨粉经气相碳化，制得碳化钨粉末。通过加入适量的碳化钒(VC)，阻止碳化钨晶粒的不均匀长大，获得粒度均匀的细晶粒碳化钨;其流程工艺简单，原料利用率增高；
[0017] 2)采用具有优异机械性能、良好切割性能的细晶碳化钨，配合具有良好强度和断裂韧性的高强钢内芯经高温烧结、挤压制成复合材料，具有优越的硬度、耐磨性和断裂强度是用于制作新型微钻头的首选材料；
[0018] 3)本发明所述复合材料可以代替现有一体式微钻头材料，减少稀有金属的使用， 降低生产成本，保护环境。
[0019] 4)能够提高微钻头的使用寿命，适合工业化生产，提高生产效率。【附图说明】
[0020]图1是本发明所述碳化钨粉末与高强钢内芯复合后的结构示意图。[0〇21 ]图中:1.碳化妈粉末2.尚强钢内芯【具体实施方式】[〇〇22]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明:
[0023] —种新型超微钻头复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0024] 1)将钨粉放置在碳化炉内，加入钨粉重量0.4%?0.6%的碳化钒与钨粉混合均勾;通入以4.0?4.5:1体积比混合的CH4和H2的混合气体，炉内升温到1000?1300 °C后，保温 lh以上，将钨粉经气相碳化制得含碳量5.0 %?6.0 %的碳化钨粉末，碳化钨粉末的粒径为 0?2?0?4um;[〇〇25] 2)制备好的碳化钨粉末填入模具内，模具安装在压力机上；
[0026] 3)制作圆柱形高强钢内芯，表面打磨后涂抹增塑剂和润滑剂，利用高精度计算机定位系统将高强钢内芯放入压力机中心，压力机加压使高强钢内芯进入模具内，并处于模具中心位置；
[0027] 4)将装有碳化钨粉末和高强钢内芯的模具放入真空热压炉中，抽真空，真空度0.8 ?1.2Xl(T4Pa;用激光加热器对模具内的碳化钨粉末和高强钢内芯进行加热，温度为1000 ?1100°C，保温2h以上;在加热的同时对模具施加均衡压力，在挤压、烧结作用下使碳化钨粉末与高强钢内芯复合为一体。
[0028]所述烧结过程中通过设在模具上的热电偶测量实时温度。
[0029]所述挤压过程中，随着挤压速度的增加相应降低加热温度，挤压速度每增加5%? 10%，温度降低20°C?40°C。
[0030]所述增塑剂为机油或石蜡，润滑剂为矿物油。
[0031]碳化钨是硬质合金的基本组成物，几乎所有的硬质合金生产厂家制备碳化钨粉时，都是采用固体炭粉为原料，在H2气氛保护下于碳管炉中经过高温碳化反应后制得碳化钨粉。使用固体炭粉生产碳化钨粉的缺点是，炭粉和钨粉不能充分接触，导致碳化不完全， 影响合金质量;另外炭粉对环境污染较严重，工人劳动条件较差，劳动强度较高。
[0032]原材料的加工对获得细小晶粒的碳化钨非常重要。当碳含量低的时候，会生成一种金属间复合物，会使产品的强度下降。相反地，当碳含量高时，会生成一种自由取向的碳， 也使产品强度下降。本发明采用气相法制备WC粉末，用CH4和钨粉为原材料，在014和出的混合气氛下，将钨粉经气相碳化，制得碳化钨粉末。加入少量碳化钒的作用是为了阻止生成的碳化钨晶粒的不均匀生长，从而获得粒度均匀的细晶碳化钨粉末。
[0033]整个碳化钨粉末制备过程都处于惰性气体环境中，可以防止碳化钨粉末的氧化， 控制碳化钨粉末的含碳量，得到优异性能的原材料。[〇〇34]晶粒尺寸为0.2wii的碳化钨已经被发现并被实际应用在微型钻头上，超细晶粒的碳化钨有益于获得良好的硬度、耐磨性和断裂强度。对现在使用的一般的微钻头，通过细化晶粒尺寸从0.8到0.2wn，可以使断裂强度由3.5GPa提高到4.0GPa，硬度由93.0HRa提高到 93.5HRa〇[〇〇35]制备本发明所述复合材料包含两种结合机理:一种为机械作用机制，通过挤压力作用使碳化钨和高强钢发生强烈的塑性变形，实现初步结合;第二种结合机理为扩散机制， 在高温烧结过程中，扩散过程进行的较充分。
[0036]高温烧结过程中，将会通过先进的激光加热器对碳化钨粉末和高强钢内芯进行加热。以确保温度分布的均匀，如果在烧结过程中温度分布不均匀，将会导致碳在合金中分布不均匀，导致制品性能变差。将原料加热到1000?1100°c保温2h以上，是为了使碳化钨粉末和高强钢颗粒互相结合起来，从而改变其性能。烧结能够使碳化钨颗粒与高强钢表面发生黏结，借助颗粒间的联结使烧结体强度增加。烧结体强度增大还体现在孔隙体积和孔隙总数的减少，以及孔隙形状的变化上，高温烧结之后原料孔隙逐渐收缩成闭孔，然后变圆。
[0037]复合材料的挤压复合是通过热挤压实现的，在挤压复合后的冷却过程扩散不可避免，随着挤压温度的升高，扩散过程比较充分，界面的结合强度也得到了不同程度的提高。
[0038]挤压过程中的挤压速度与加热温度是关联的，随着挤压速度的提高必须降低加热温度。确定合适的挤压速度，可保证产品性能优良。挤压过程中需要加入少量润滑剂，润滑剂可以是添加某些填料的矿物油，提高金属流动速度，防止产生组织、性能的不均匀性，降低挤压力。
[0039]进行挤压、烧结时，必须在真空环境下进行，由于粉末凝固的时候会发生脱碳现象，为了防止氧化，所有的加工过程都将在真空条件下进行。同时采用均衡的压力对粉末和内芯进行挤压，消除挤压过程中会产生的气孔。
[0040]在烧结、挤压过程中碳化钨和高强钢在模具内原始表面破裂;表面扩展引起新鲜表面显露;法向挤压力将碳化钨挤入高强钢表面裂缝中；两种金属在间隙中汇合并形成真实结合。两种材料原始接触面在挤压过程中破裂，使得纯净组织显露，通过挤压机强大的压力将该洁净表面压制到接近原子间距范围并形成真正的结合。[0041 ]直接挤压、烧结的碳化钨、高强钢复合棒表面光洁，且外层碳化钨厚度均匀。[〇〇42]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种新型超微钻头复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:1)将钨粉放置在碳化炉内，加入钨粉重量0.4 %?0.6 %的碳化钒与钨粉混合均匀；通 入以4.0?4.5:1体积比混合的CH4和H2的混合气体，炉内升温到1000?1300 °C后，保温lh以 上，将钨粉经气相碳化制得含碳量5.0 %?6.0 %的碳化钨粉末，碳化钨粉末的粒径为0.2? 0.4ym；2)制备好的碳化钨粉末填入模具内，模具安装在压力机上；3)制作圆柱形高强钢内芯，表面打磨后涂抹增塑剂和润滑剂，利用高精度计算机定位 系统将高强钢内芯放入压力机中心，压力机加压使高强钢内芯进入模具内，并处于模具中 心位置；4)将装有碳化钨粉末和高强钢内芯的模具放入真空热压炉中，抽真空，真空度0.8? 1.2 X l(T4Pa;用激光加热器对模具内的碳化钨粉末和高强钢内芯进行加热，温度为1000? 1100°C，保温2h以上;在加热的同时对模具施加均衡压力，在挤压、烧结作用下使碳化钨粉 末与高强钢内芯复合为一体。2.根据权利要求1所述的一种新型超微钻头复合材料的制备方法，其特征在于，所述烧 结过程中通过设在模具上的热电偶测量实时温度。3.根据权利要求1所述的一种新型超微钻头复合材料的制备方法，其特征在于，所述挤 压过程中，随着挤压速度的增加相应降低加热温度，挤压速度每增加5%?10%，温度降低 20°C?40°C。4.根据权利要求1所述的一种新型超微钻头复合材料的制备方法，其特征在于，所述增 塑剂为机油或石蜡，润滑剂为矿物油。
【文档编号】C04B35/56GK105967719SQ201610300252
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】张红梅, 荆毅, 吴昊, 彭兴东, 姜正义, 李娜, 赵大东, 廖桂兵, 边迪
【申请人】辽宁科技大学