原位自生纳米Al₂O₃增韧WC-Ni3Al复合材料及其制备方法

原位自生纳米Al₂O₃增韧WC-Ni3Al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，公开了一种原位自生纳米Al2O3增韧WC?Ni3Al复合材料及其制备方法。所述方法为：将Ni、Al、Cr、Mo、Zr、B原料粉末按质量比配料，置于球磨机中干式球磨，制得Ni3Al金属间化合物粉末；然后将其与WC粉末置于溶剂中进行湿式球磨，制得混合浆料，混合浆料烘干至溶剂残余量≤1％，碾碎、过筛，得到颗粒尺寸≤250μm的混合粉末；采用放电等离子烧结技术对上述混合粉末进行烧结，得到产物。本发明采用原位自生法在WC基体中引入纳米Al2O3，并用Ni3Al金属间化合物替代Co增韧增强WC复合材料，具有成本低、力学性能优的特点。
【专利说明】
原位自生纳米A1203増韧WC-N i 3AI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，具体涉及一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]纯WC-Co硬质合金由于在高温下的硬度和强度均会剧烈下降，作为刀具材料，在高切削速度下的使用将会受到限制，另外还很有可能会使合金的耐磨性下降，特别是在高温下的氧化和耐腐蚀性能差等，均会使得WC硬质合金容易出现过快失效，从而限制了 WC硬质合金的应用范围。为此，各研究者为了拓宽WC类材料的应用范围而做出的努力，最终提出了以金属间化合物Ni3Al替代Co增韧WC基复合材料的设想，并分析了其可行性。
[0003]中国专利200910039671.8公开了一种WC-增韧增强Ni3Al硬质合金及其制备方法，该方法是利用放电等离子烧结技术制备WC-M3A1复合材料，获得的复合材料有着良好的韧性和高温性能。在一般陶瓷材料中，通过外加纳米颗粒对材料进行强韧化处理，可以有效地提高材料的强度和韧性，但是这种外加纳米颗粒的方法往往存在着颗粒容易团聚，难以分散等问题，使得其可操作性大大降低。本专利提出了一种原位自生纳米Al2O3协同粘结相Ni3Al增韧的碳化钨复合材料及制备方法。这种原位生成的方法不仅可增韧陶瓷基体，而且可以很好地解决通常外加纳米颗粒时遇到的颗粒容易团聚，难以分散等问题。

【发明内容】

[0004]本发明的首要目的在于提供一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-M3A1复合材料的制备方法。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料。
[0006]本发明目的通过以下技术方案实现:
[0007]—种原位自生纳米Al2O3增韧WC_Ni3Al复合材料的制备方法，包括以下制备步骤:
[0008](I)机械合金化制备Ni3Al粉末:按以下质量百分比的原料粉末配料:Ni 79.52?82.57%、A1 8.0?8.14%、Cr 5.23?7.83%、Mo 1.43?7.02%、Zr O?1.70%、B 0.005?
0.01%,其余为不可避免的微量杂质;将上述原料粉末置于球磨机中干式球磨，制得颗粒尺寸彡250μπι的Ni3Al金属间化合物粉末；
[0009](2)将上述Ni3Al金属间化合物粉末与WC粉末置于溶剂中进行湿式球磨，制得混合浆料，然后将上述混合浆料烘干至溶剂残余量< I %，碾碎、过筛，得到颗粒尺寸< 250μπι的混合粉末；
[0010](3)采用放电等离子烧结技术对上述混合粉末进行烧结，得到所述原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料。
[0011]优选地，步骤(I)中所述N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末纯度彡99.9%,粒度为I?3μπι，B粉末为纯度多99.0 %的无定形高纯硼粉。
[0012]所述干式球磨的条件优选为:球磨材质采用WC硬质合金，球料比为10:1，转速266r/min，并采用高纯Ar气作为保护气氛。
[0013]优选地，步骤(2)中所述Ni3A1金属间化合物粉末与WC粉末的质量比为(6?14):(86 ?94)。
[0014]所述WC粉末优选纯度彡99.9%、粒度为2?8μπι的WC粉末。
[0015]所述的溶剂优选乙醇或水。
[0016]所述湿式球磨的条件优选为:磨球材质为WC-Co硬质合金，球料比为5:1，转速180r/mino
[0017]优选地，步骤(3)中所述放电等离子烧结的条件如下:
[0018]烧结电流类型为直流脉冲电流，
[0019]烧结压力:30?70MPa，
[0020]烧结升温速率:50?300 °C/min，
[0021]烧结温度:1200?1400°C，
[0022]烧结保温时间:0?20min，
[0023]烧结真空度:彡6Pa。
[0024]—种原位自生纳米AI2O3增韧WC-Ni3Al复合材料，通过上述方法制备得到；上述复合材料中，所含原位自生纳米氧化铝的质量百分含量为I?7%，镍三铝的质量百分含量为2?15%，其余为碳化钨以及不可避免的杂质相。
[0025]本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果:
[0026](I)本发明制备的WC复合材料是一种由原位自生纳米氧化铝增韧的复合材料，其粘结相为Ni3Al金属间化合物，通过合理添加多种合金元素使其具有优良的硬度、耐磨性和高温力学性能。其中，添加铬元素可以减小环境脆化和高温氧化脆性;添加钼元素可以增加高温强度;添加锆元素可以减少凝固收缩和宏观空洞;添加硼元素则可改善室温延展性。烧结过程中，粉末中不可避免的氧元素与WC中的碳元素发生反应形成CO析出，导致局部缺碳，进而促进η相(Ni2W4C、M6C)的产生，剩余的铝元素则更容易与氧元素发生反应，最终形成自生的纳米氧化铝，与粘结相Ni3Al同时增韧增强WC复合材料。
[0027](2)本发明制备的WC复合材料利用Ni 3A1金属间化合物替代Co，与传统WC-Co硬质合金相比，它不仅可以降低成本，还可以节约稀缺而且具战略性的Co资源。
[0028](3)本发明的制备方法采用了原位自生法在WC基体中引入纳米Al2O3,充分利用了不可避免的氧元素以及M3A1氧化的特点。在初始材料粉末的准备中，只需将预制备的Ni3Al粉末和WC粉末充分均匀混合即可以在随后的烧结过程中在WC晶间生成均匀分布的纳米A1203。为此本发明不但很好地利用了氧元素的负面作用，而且也解决了外加纳米颗粒时遇到的颗粒容易团聚，难以分散等问题。
【附图说明】
[0029]图1为实施例1所得原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料的SEM图((a):放大倍数为20000倍，(b)放大倍数为40000倍)。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例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。
[0031]实施例1
[0032](I)机械合金化制备Ni3A1粉末:按以下质量百分比的原料粉末配料:Ni 81.1%,Al 8.0%Xr 7.7%、Μο 1.43%、Zr 1.70%、Β 0.008%，其余为不可避免的微量杂质，其中N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末纯度彡99.9%、粒度l?3μm，B粉末纯度彡99.0%，为无定形的高纯硼粉;将上述原料粉末置于行星式球磨机中进行高能球磨，球磨材质采用WC硬质合金，球料比为10:1，转速266r/min，并采用高纯Ar气作为保护气氛，球磨30小时制得颗粒尺寸彡250μπι的Ni 3Α1金属间化合物粉末；
[0033](2)将上述Ni3Al金属间化合物粉末10%与WC粉末(WC粉末纯度彡99.9%、粒度2?8μπι)90%按质量比置于乙醇中进行湿式低能球磨，所用球磨机为行星式，球磨確与磨球材质为WC-Co硬质合金，球料比为5:1，在转速180r/min工况下，球磨30小时制得混合楽料，然后将上述混合浆料置于干燥炉内烘干至溶剂残余量<1%，碾碎、过筛，得到颗粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0034](3)将步骤(2)所得混合粉末称取27g装入直径为Φ20πιπι的石墨烧结模具中进行放电等离子一步烧结，烧结电流类型为直流脉冲电流，其中烧结压力为30MPa，烧结温度为1400 0C，升温速率为100 0C/min，保温时间为5min，真空度为4Pa。得到原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料。
[0035]本实施例所得原位自生纳米Al2O3增韧WC_Ni3Al复合材料的SEM图像((a):放大倍数为20000倍，(b)放大倍数为40000倍)如图1所示，图中有黑色点状相和灰色块状相两种，其中黑色相为纳米氧化铝，WC相呈板条状。经计算，图中含原位自生纳米Al2O3的质量百分比约为7.0 %。上述原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料，其硬度为HV1Q 19.59GPa，断裂韧性为 11.86MPa.m1/2。
[0036]实施例2
[0037]步骤(I)和(2)同实施例1;
[0038](3)将步骤(2)所得混合粉末称取27g装入直径为Φ20πιπι的石墨烧结模具中进行放电等离子一步烧结，烧结电流类型为直流脉冲电流，其中烧结压力为30MPa，烧结温度为1200 0C，升温速率为100 0C/min，保温时间为5min，真空度为4Pa。得到原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料。
[0039]本实施例所得原位自生纳米Al2O3增韧WC-M3A1复合材料含原位自生纳米氧化铝的质量百分比约为6.5%，其硬度为HViq 20.44GPa，断裂韧性为9.30MPa.πιν2。
[0040]实施例3
[0041]步骤(I)同实施例1;
[0042](2)将上述Ni3Al金属间化合物粉末6%与WC粉末(WC粉末纯度彡99.9%、粒度2?8μπι)94%按质量比置于乙醇中进行湿式低能球磨，所用球磨机为行星式，球磨確与磨球材质为WC-Co硬质合金，球料比为5:1，在转速180r/min工况下，球磨30小时制得混合浆料，然后将上述混合浆料置于干燥炉内烘干至溶剂残余量彡I %，碾碎、过筛，得到颗粒尺寸彡250μπι的混合粉末；
[0043](3)将步骤(2)所得混合粉末称取27g装入直径为Φ20πιπι的石墨烧结模具中进行放电等离子一步烧结，烧结电流类型为直流脉冲电流，其中烧结压力为30MPa，烧结温度为1400 °C，升温速率为100 °C/min，保温时间为5min，真空度为4Pa。得到原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料。
[0044]本实施例所得原位自生纳米Al2O3增韧WC-M3A1复合材料含原位自生纳米氧化铝的质量百分比约为3.1%，其硬度为HViq 20.45GPa，断裂韧性为10.35MPa.πιν2。
[0045]实施例4
[0046]步骤(I)同实施例1;
[0047](2)将上述Ni3Al金属间化合物粉末14%与WC粉末(WC粉末纯度彡99.9%、粒度2?8μπι)86%按质量比置于乙醇中进行湿式低能球磨，所用球磨机为行星式，球磨確与磨球材质为WC-Co硬质合金，球料比为5:1，在转速180r/min工况下，球磨30小时制得混合楽料，然后将上述混合浆料置于干燥炉内烘干至溶剂残余量<1%，碾碎、过筛，得到颗粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0048](3)将步骤(2)所得混合粉末称取27g装入直径为Φ20πιπι的石墨烧结模具中进行放电等离子一步烧结，烧结电流类型为直流脉冲电流，其中烧结压力为30MPa，烧结温度为1400 0C，升温速率为100 0C/min，保温时间为5min，真空度为4Pa。得到原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料。
[0049]本实施例所得原位自生纳米Al2O3增韧WC-M3A1复合材料含原位自生纳米氧化铝的质量百分比约为6.9%，其硬度为HViq 18.23GPa，断裂韧性为11.54MPa.πιν2。
[0050]实施例5
[0051 ] (I)机械合金化制备Ni3Α1粉末:按以下质量百分比的原料粉末配料:Ni 79.52%,Al 8.1% Xr 5.23%、Mo 7.02%^Zr 0.13%^B 0.005%，其余为不可避免的微量杂质，其中N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末纯度彡99.9%、粒度I?3μπι，Β粉末纯度彡99.0%，为无定形的高纯硼粉;将上述原料粉末置于行星式球磨机中进行高能球磨，球磨材质采用WC硬质合金，球料比为10:1，转速266r/min，并采用高纯Ar气作为保护气氛，球磨30小时制得颗粒尺寸<250μm的Ni3Al金属间化合物粉末；
[0052](2)将上述Ni3Al金属间化合物粉末10%与WC粉末(WC粉末纯度彡99.9%、粒度2?8μπι)90%按质量比置于乙醇中进行湿式低能球磨，所用球磨机为行星式，球磨確与磨球材质为WC-Co硬质合金，球料比为5:1，在转速180r/min工况下，球磨30小时制得混合楽料，然后将上述混合浆料置于干燥炉内烘干至溶剂残余量<1%，碾碎、过筛，得到颗粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0053](3)将步骤(2)所得混合粉末称取27g装入直径为Φ20πιπι的石墨烧结模具中进行放电等离子一步烧结，烧结电流类型为直流脉冲电流，其中烧结压力为30MPa，烧结温度为1400 0C，升温速率为100 0C/min，保温时间为5min，真空度为4Pa。得到原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料。
[0054]本实施例所得原位自生纳米Al2O3增韧WC_Ni3Al复合材料含原位自生纳米氧化铝的质量百分比约为5.2%，其硬度为HViq 20.53GPa，断裂韧性为10.52MPa.πιν2。
[0055]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】
1.一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-M3A1复合材料的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤: (1)机械合金化制备Ni3A1粉末:按以下质量百分比的原料粉末配料:Ni79.52?82.57%、A1 8.0?8.14%、Cr 5.23?7.83%、Mo 1.43?7.02%、Zr O?1.70%、B 0.005?0.01%,其余为不可避免的微量杂质;将上述原料粉末置于球磨机中干式球磨，制得颗粒尺寸彡250μπι的Ni3Al金属间化合物粉末； (2)将上述M3A1金属间化合物粉末与WC粉末置于溶剂中进行湿式球磨，制得混合浆料，然后将上述混合浆料烘干至溶剂残余量<1%，碾碎、过筛，得到颗粒尺寸<250μπι的混合粉末； (3)采用放电等离子烧结技术对上述混合粉末进行烧结，得到所述原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料。2.根据权利要求1所述的一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(I)中所述N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末纯度彡99.9%,粒度为I?3μπι，B粉末为纯度彡99.0%的无定形高纯硼粉。3.根据权利要求1所述的一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料的制备方法，其特征在于所述干式球磨的条件为:球磨材质采用WC硬质合金，球料比为10:1，转速266r/min，并采用高纯Ar气作为保护气氛。4.根据权利要求1所述的一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所述Ni 3A1金属间化合物粉末与WC粉末的质量比为(6?14):(86?94)。5.根据权利要求1所述的一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料的制备方法，其特征在于:所述WC粉末是指纯度彡99.9%、粒度为2?8μπι的WC粉末。6.根据权利要求1所述的一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料的制备方法，其特征在于:所述的溶剂是指乙醇或水。7.根据权利要求1所述的一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料的制备方法，其特征在于所述湿式球磨的条件为:磨球材质为WC-Co硬质合金，球料比为5:1，转速180r/min。8.根据权利要求1所述的一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-Ni3Al复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(3)中所述放电等离子烧结的条件如下: 烧结电流类型为直流脉冲电流， 烧结压力:3O?7OMPa, 烧结升温速率:50?300 0C/min， 烧结温度:1200?1400 °C， 烧结保温时间:0?20min， 烧结真空度:彡6Pa。9.一种原位自生纳米Al2O3增韧WC-M3A1复合材料，其特征在于:通过权利要求1?8任一项所述的方法制备得到;所述复合材料中，所含原位自生纳米氧化铝的质量百分含量为I?7%，镍三铝的质量百分含量为2?15%，其余为碳化钨以及不可避免的杂质相。
【文档编号】C22C29/02GK105907997SQ201610390754
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】李小强, 张民爱, 屈盛官, 夏晓建, 梁良
【申请人】华南理工大学