一种cBN增韧WC复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明属于合金材料技术领域，公开了一种cBN增韧WC复合材料及其制备方法。所述复合材料由99.75～99.99wt.％的WC，0.01～0.25wt.％的cBN以及不可避免的微量杂质组成。所述制备方法为：将WC粉体、cBN和有机溶剂置于球磨机中进行湿式球磨，制得球磨浆料；将球磨浆料干燥除去溶剂后过筛，获得颗粒尺寸≤300μm的复合粉末；然后将复合粉末置于模具中烧结固化成形，得到无粘结相的cBN增韧WC复合材料。本发明复合材料是一种由cBN增韧的不含有任何金属粘结相的WC复合材料，具有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性能以及较好的韧性，适合作为刀具材料或者模具材料。
【专利说明】
-种cBN増初WC复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于合金材料技术领域，具体设及一种CBN增初WC复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] WC-Co硬质合金，是一种常见的、重要的硬质合金种类(YG系列），广泛地应用于现 代刀具材料、耐磨、耐腐蚀和耐高溫材料领域，有现代工业的牙齿之称。纯WC材料很难烧结 致密，即使烧结致密，烧结溫度也往往在2000°C W上，如此高的烧结溫度对设备本身也是一 种损害，并且烧结后断裂初性只有~4M化.mi/2Xo作为WC烧结时的一种粘结相，对WC有非 常好的润湿性，同时能使WC烧结溫度降低到~1400°C，烧结时Co成为液相，大大增加 WC颗粒 扩散速率，使烧结致密，烧结后碳化鹤复合材料通常断裂初性在~12MPa . ml/2。然而，Co资 源的在世界的分布十分不均衡，中国的Co资源极其匿乏，严重依赖进口，使得Co原料的供应 也存在很多不稳定因素。同时Co作为一种粘结剂，降低了 WC材料的硬度，耐腐蚀性和耐高溫 性，限制了 WC材料在某些极端服役环境下的应用。因此，寻找一种常见的来源广泛的非粘结 相的材料来替代Co,摆脱对国外的依赖，同时提高WC类硬质合金的硬度和高溫性能就显得 非常重要。
[0003] 目前在对无粘结相WC材料的研究中，常采用两种手段来提高其断裂初性。一是通 过晶粒细化的方式，能够同时起到改善硬度和断裂初性的效果；二是添加陶瓷相颗粒/纤 维，或者陶瓷相的相变来改善其断裂初性。cBN(立方氮化棚）是一种高硬度的类金刚石材 料，常用于制造刀具和磨料。但目前尚未有采用CBN颗粒增初WC复合材料的报道。
【发明内容】
[0004] 为了解决W上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种cBN 增初WC复合材料。
[0005] 本发明的另一目的在于提供上述CBN增初WC复合材料的制备方法。
[0006] 本发明目的通过W下技术方案实现：
[0007] -种cBN增初WC复合材料，由 99.75~99.99wt. % 的WC，0.01 ~0.25wt. % 的cBN W 及不可避免的微量杂质组成。
[000引上述cBN增初WC复合材料的制备方法，包括W下制备步骤：
[0009] (1)将WC粉体、cBN和有机溶剂置于球磨机中进行湿式球磨，制得球磨浆料；
[0010] (2)将球磨浆料干燥除去溶剂后过筛，获得颗粒尺寸《300WI1的复合粉末；
[0011] (3)将步骤(2)所得复合粉末置于模具中烧结固化成形，得到无粘结相的CBN增初 WC复合材料。
[0012] 优选地，步骤(1)中所述的有机溶剂为乙醇。
[0013] 优选地，步骤(2)中所述的干燥是指干燥至溶剂残余质量《1%。
[0014] 优选地，步骤(3)中所述的烧结是指采用放电等离子烧结技术进行烧结;具体烧结 条件如下：
[0015] 烧结电流类型为直流脉冲电流；
[0016] 烧结压力：30~50MPa;
[0017]烧结气氛:低真空《6化；
[001引升溫速率:50~300 °C/min;
[0019] 烧结溫度:1650 ~1850°C;
[0020] 保溫时间：0~lOmin。
[0021] 本发明的制备方法及所得复合材料具有如下优点及有益效果：
[0022] (1)本发明采用粒径较细的WC粉体并添加微量cBN制备了 cBN增初WC复合材料;细 小的WC晶粒和cBN的颗粒增初机制在有助于提高基体材料初性的同时，保持基体材料本身 的高硬度；
[0023] (2)本发明制备的WC复合材料是一种由cBN增初的不含有任何金属粘结相的WC复 合材料，它具有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性能W及较好的初性，适合作为刀具材料或者 模具材料；
[0024] (3)本发明制备的WC复合材料不含有Co,与传统WC-Co硬质合金相比，它不仅可W 降低成本，还可W节约稀缺而且具战略性的Co资源，更为重要的是，本发明所使用的CBN已 经较好的商业化，来源广泛。
【附图说明】
[0025] 图1为实施例1所得cBN增初WC复合材料的XRD谱图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0027] 实施例1
[00%]本实施例的一种cBN增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0029] (1)将99.9g WC(0.2皿，纯度>99.9 %，徐州捷创新材料科技有限公司），0.1 gcBN (0. Ιμπι，纯度>99.9%，广州克思曼研磨有限公司），倒入250ml硬质合金罐中，再加入乙醇作 为溶剂(所得混合浆料的体积不超过球磨罐容积的2/3)，得到混合浆料;将装有混合浆料的 球磨罐置于行星式球磨机上进行湿式球磨（转速18化/min,球磨时间为30h)，得到球磨浆 料；
[0030] (2)将球磨浆料置于真空干燥箱中干燥至溶剂残余量《1%，取出烘干后的粉末娠 碎、过筛，获得颗粒尺寸《300WI1的复合粉末；
[0031] (3)取2?复合粉末装进内径020的四和外径050 mm的圆筒形石墨模具中，粉 料、凹模与冲头两两之间均W石墨纸隔开W便脱模，凹模外还包覆一层lOmm厚的石墨拉W 减少热福射损耗;将装有复合粉末的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，得到无 粘结相CBN增初WC复合材料。所述烧结参数为:烧结电流类型为直流脉冲电流，烧结气氛为 低真空（《6Pa)，烧结压力为30MPa，升溫速率为100°C/min，测溫方式为红外测溫（>570 °C)，烧结溫度为1700°C，保溫时间Omin。
[0032] 本实施例所得CBN增初WC复合材料经测量其阿基米德法测试后计算得到相对密度 为98.1%;采用维氏硬度计并设定载荷10kg力测试硬度，硬度为HVi〇24.7GPa;根据维氏硬度 压痕，采用压痕法计算得到断裂初性7.8Mpa · ml/2。
[0033] 本实施例所得cBN增初WC复合材料的XRD谱图如图1所示，图中所出现衍射峰均为 WC相。
[0034] 实施例2
[0035] 本实施例的一种cBN增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0036] 步骤(1)~(2)与实施例1相同；
[0037] (3)取2?复合粉末装进内径020 mm和外径050 mm的圆筒形石墨模具中，粉 料、凹模与冲头两两之间均W石墨纸隔开W便脱模，凹模外还包覆一层10mm厚的石墨拉W 减少热福射损耗;将装有复合粉末的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，得到无 粘结相CBN增初WC复合材料。所述烧结参数为:烧结电流类型为直流脉冲电流，烧结气氛为 低真空（《6Pa)，烧结压力为30MPa，升溫速率为100°C/min，测溫方式为红外测溫（>570 °C)，烧结溫度为1700°C，保溫时间1 Omin。
[0038] 本实施例所得cBN增初WC复合材料经测量计算其相对密度为98.9 %，硬度为HVio 24.5G化，断裂初性7.95Mpa · mi/2。
[0039] 实施例3
[0040] 本实施例的一种cBN增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0041] 步骤(1)~(2)与实施例1相同；
[0042] (3)取2?复合粉末装进内径020 mm和外径050 mm的圆筒形石墨模具中，粉 料、凹模与冲头两两之间均W石墨纸隔开W便脱模，凹模外还包覆一层10mm厚的石墨拉W 减少热福射损耗;将装有复合粉末的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，得到无 粘结相cBN增初WC复合材料。所述烧结参数为:烧结电流类型为直流脉冲电流，烧结气氛为 低真空（《6化），烧结压力为50MPa，升溫速率为300°C/min，测溫方式为红外测溫杉570 °C)，烧结溫度为1800 °C，保溫时间Omin。
[0043] 本实施例所得cBN增初WC复合材料经测量计算其相对密度为98.5%，硬度为HVio 24.9GPa，断裂初性7.66Mpa · mi/2。
[0044] 实施例4
[0045] 本实施例的一种cBN增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0046] 步骤(1)~(2)与实施例1相同；
[0047] (3)取28g复合粉末装进内径0孤mm和外径050 mm的圆筒形石墨模具中，粉 料、凹模与冲头两两之间均W石墨纸隔开W便脱模，凹模外还包覆一层lOmm厚的石墨拉W 减少热福射损耗;将装有复合粉末的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，得到无 粘结相CBN增初WC复合材料。所述烧结参数为:烧结电流类型为直流脉冲电流，烧结气氛为 低真空（《6Pa)，烧结压力为30MPa，升溫速率为100°C/min，测溫方式为红外测溫（>570 °C)，测溫聚焦点位于模具外壁中屯、孔底部，离模具内壁7.5mm处，烧结溫度为1800°C，保溫 时间5min。
[0048] 本实施例所得cBN增初WC复合材料经测量计算其相对密度为98.7 %，硬度为HVio 25.2GPa，断裂初性7.58Mpa · mi/2。
[0049] 实施例5
[0050] 本实施例的一种cBN增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0051] 步骤(1)~(2)与实施例1相同；
[0化2] (3)取28g复合粉末装进内径020化的和外径0:50 .脚打的圆筒形石墨模具中，粉 料、凹模与冲头两两之间均W石墨纸隔开W便脱模，凹模外还包覆一层10mm厚的石墨拉W 减少热福射损耗;将装有复合粉末的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，得到无 粘结相cBN增初WC复合材料。所述烧结参数为:烧结电流类型为直流脉冲电流，烧结气氛为 低真空（《6Pa)，烧结压力为50MPa，升溫速率为100°C/min，测溫方式为红外测溫（>570 °C)，测溫聚焦点位于模具外壁中屯、孔底部，离模具内壁7.5mm处，烧结溫度为1800°C，保溫 时间Omin。
[0053]本实施例所得cBN增初WC复合材料经测量计算其相对密度为98.5%，硬度为HVio 24.8GPa，断裂初性7.74Mpa · mi/2。
[0054] 实施例6
[0055] 本实施例的一种cBN增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0056] 步骤(1)~(2)与实施例1相同；
[0化7] (3)取2?复合粉末装进内径020 mm和外径050 mm的圆筒形石墨模具中，粉 料、凹模与冲头两两之间均W石墨纸隔开W便脱模，凹模外还包覆一层10mm厚的石墨拉W 减少热福射损耗;将装有复合粉末的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，得到无 粘结相cBN增初WC复合材料。所述烧结参数为:烧结电流类型为直流脉冲电流，烧结气氛为 低真空（《6Pa)，烧结压力为30MPa，升溫速率为100°C/min，测溫方式为红外测溫（>570 °C)，测溫聚焦点位于模具外壁中屯、孔底部，离模具内壁7.5mm处，烧结溫度为1850°C，保溫 时间5min。
[005引本实施例所得cBN增初复合材料经测量计算其相对密度为98.2%，硬度为HVio 25.3GPa，断裂初性7.46Mpa · ffli/2。
[0化9] 实施例7
[0060] 本实施例的一种cBN增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0061] 步骤(1)~(2)与实施例1相同；
[0062] (3)取2?复合粉末装进内径020抑m和外径050班m的圆筒形石墨模具中，粉 料、凹模与冲头两两之间均W石墨纸隔开W便脱模，凹模外还包覆一层lOmm厚的石墨拉W 减少热福射损耗;将装有复合粉末的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，得到无 粘结相cBN增初WC复合材料。所述烧结参数为:烧结电流类型为直流脉冲电流，烧结气氛为 低真空（《6Pa)，烧结压力为50MPa，升溫速率为50°C/min，测溫方式为红外测溫（>570°C)， 测溫聚焦点位于模具外壁中屯、孔底部，离模具内壁7.5mm处，烧结溫度为1850°C，保溫时间 0min〇
[0063] 本实施例所得cBN增初WC复合材料经测量计算其相对密度为98.8 %，硬度为HVio 24.4GPa，断裂初性7.42Mpa · mi/2。
[0064] 实施例8
[0065] 本实施例的一种cBN增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0066] (1)将99.99g WC(0 .化m，纯度>99.9%，徐州捷创新材料科技有限公司），0 . Olg cBN(0.1皿，纯度>99.9%，广州克思曼研磨有限公司），倒入250ml硬质合金罐中，再加入乙 醇作为溶剂(所得混合浆料的体积不超过球磨罐容积的2/3)，得到混合浆料;将装有混合浆 料的球磨罐置于行星式球磨机上进行湿式球磨(转速18化/min,球磨时间为30h)，得到球磨 浆料；
[0067] 步骤(2)~(3)与实施例1相同。
[0068] 本实施例所得cBN增初WC复合材料经测量计算其相对密度为98.9 %，硬度为HVio 24.8GPa，断裂初性7.5Mpa · mi/2。
[0069] 实施例9
[0070] 本实施例的一种CNTs增初WC复合材料，通过如下方法制备：
[0071] (1)将99.75g WC(0 .化m，纯度>99.9%，徐州捷创新材料科技有限公司），0.25g cBN(0.1皿，纯度>99.9%，广州克思曼研磨有限公司），倒入250ml硬质合金罐中，再加入乙 醇作为溶剂(所得混合浆料的体积不超过球磨罐容积的2/3)，得到混合浆料;将装有混合浆 料的球磨罐置于行星式球磨机上进行湿式球磨(转速18化/min,球磨时间为30h)，得到球磨 浆料；
[0072] 步骤(2)~(3)与实施例1相同。
[0073] 本实施例所得cBN增初WC复合材料经测量计算其相对密度为98.8 %，硬度为HVio 24.5G化，断裂初性7.96Mpa · mi/2。
[0074] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种CBN增韧WC复合材料，其特征在于：所述复合材料由99.75~99.99wt. %的WC， 0.01~0.25wt.%的cBN以及不可避免的微量杂质组成。2. 权利要求1所述的一种cBN增韧WC复合材料的制备方法，其特征在于包括以下制备步 骤： (1) 将WC粉体、cBN和有机溶剂置于球磨机中进行湿式球磨，制得球磨浆料； (2) 将球磨浆料干燥除去溶剂后过筛，获得颗粒尺寸<300μπι的复合粉末； (3) 将湿磨复合粉末置于模具中烧结固化成形，得到无粘结相的cBN增韧WC复合材料。3. 根据权利要求2所述的一种cBN增韧WC复合材料的制备方法，其特征在于:步骤（1)中 所述的有机溶剂为乙醇。4. 根据权利要求2所述的一种cBN增韧WC复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(2)中 所述的干燥是指干燥至溶剂残余质量%。5. 根据权利要求2所述的一种cBN增韧WC复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(3)中 所述的烧结是指采用放电等离子烧结技术进行烧结;具体烧结条件如下： 烧结电流类型为直流脉冲电流； 烧结压力：3〇~5〇MPa; 烧结气氛:低真空<6Pa; 升温速率:50~300 °C/min; 烧结温度：1650~1850 °C; 保温时间:0~lOmin。
【文档编号】C04B35/56GK106083113SQ201610457522
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】李小强, 曹廷, 屈盛官, 李京懋, 夏晓建, 梁良, 伍尚华
【申请人】华南理工大学