专利名称：用机械化学法制备b的制作方法
技术领域：
本发明涉及到合金材料的制备，特别涉及到以机械化学法进行机械合金化，制备B4C硬质合金材料的工艺技术，属于新材料制备领域。
背景技术：
硬质合金具有极高的硬度如WC的莫氏硬度为9+、显微硬度为25Gpa，而B4C所具有的硬度比WC还要高，其莫氏硬度为9.3、显微硬度为55～67GPa；同时，B4C还具有很低的密度，其理论密度仅为2520kg/m3，低于铝的2700kg/m3密度值；不仅如此，B4C还有极好的化学稳定性和很强的中子吸收能力；因此，B4C是近年来特别引起注意的新型硬质合金材料，对开发高质量、高档次硬质合金刀具等产品有重要的实际意义。
目前，世界上只有少数国家可以生产B4C硬质合金材料，所用方法均为自蔓延燃烧法。该法有产品成份与结构不均匀的缺点。
1998年，俄罗斯利用机械化学法制备硬质合金材料，但它采用的是WC基的硬质合金材料，并获得了专利权，其专利号为2120840，成为目前生产硬质合金材料的典型。该专利产品所用的原料为钨粉(W)、石墨(C)、和钴粉(Co)，在密闭的磨罐中，在机械碰撞摩擦作用下发生化学反应而制成。该方法具有工艺简单、产品成份与结构均匀、无环境污染和成本低的优点。存在的主要问题是，对化学反应的过程中能产生大量气体产物的产品，密闭罐中的化学反应就不易进行完全，因此，使用这种方法，采用以三氧化二硼(B2O3)和石墨(C)为原料的化学反应，由于有大量CO和CO2的气体产生，这种气体如果不排除，就会造成密闭罐内的压力增大，因此就难于将其化学反应进行到底，因而它就成为用机械化学法制备B4C硬质合金材料的难点，解决这一瓶颈问题，就成为制备B4C硬质合金材料的关键。
发明内容
本发明的目的是要克服现有技术存在的不能用机械化学法制备产生大量气体的硬质合金材料，并提出一种用机械化学法制备B4C硬质合金材料的技术解决方案。
本发明所提出的用机械化学法制备B4C硬质合金材料，包括原料成份配比、磨罐、制备工艺，其特征在于其原料成份重量百分比(wt％，下同)为三氧化二硼(B2O3)为60-92％，石墨(C)为8-40％，外加助剂镁(Mg)的重量应保证其量值与B2O3的重量之比为0-1.1；制备B4C的工艺步骤是第一步，备料，按制备B4C原料成份的重量百分比要求，取B2O3和C各自的称量值，及助剂Mg粉的称量值，备用；第二步，装罐，将已称重的B2O3、C和Mg粉，一起装入磨罐中，为了增加在机械碰撞摩擦作用下发生化学反应，在磨罐内还加入重约为装料重量3倍的磨球，磨球与装料的总体积约为磨罐体积的1/3，然后，将磨罐盖[1]与磨罐体[4]通过螺纹合位压紧，并在其间加有垫片；第三步，固定磨罐，将装料磨罐放置于球磨机的罐座上，并锁紧；第四步，启动球磨机，并将工况调至使磨罐内的颗粒所受到的加速度值大小为重力加速度值的25-80倍；第五步，随运行时间的增加，反应发生，磨罐的温度增加，当磨罐的表面温度降至室温时，表明化学反应的结束，即可停机卸载；第六步，取出罐内的粉体，用20％的稀盐酸洗去产品中的MgO和过量的Mg后，用去离子水洗去盐酸，直至去离子水的PH值达到7-7.1为止，即得到B4C硬质合金材料的产品。
本发明的进一步特征在于成份配比中采用的原料B2O3、C和助剂Mg均应是粉粒体，其最大尺寸应小于3mm磨罐体[4]与磨罐盖[1]之间采用螺纹[2]连接结构，螺纹为普通粗牙螺纹；磨罐体[4]与磨罐盖[1]之间所设有的垫片是多孔介质垫片[3]，其平均孔径的大小在50-100μm之间；控制化学反应过程中磨罐内的压力，是通过磨罐体[4]与磨罐盖[1]之间的螺纹[2]结构和多孔介质垫片[3]实现的，多孔介质垫片[3]可以阻止磨罐内的粉体进入螺纹[2]间隙，但可使磨罐内的气体产物通过多孔介质垫片[3]和螺纹[2]间隙排出磨罐。
本发明技术，是在已有技术的基础上，进行了改进，从而能使在机械化学方法的同时作用下，使其所采用的原料成份通过反应方程式计算出加入化学反应各自的量值，并对在反应过程中所产生的CO和CO2气体有效的排出，并阻止其罐内的粉粒不能排出的磨罐结构措施，而达到本发明的目的和效果。其罐内的表观反应方程式为
在制备过程中，要控制配比的重量，当原料B2O3取上限时，C则取下限值，而B2O3取下限时，则C取上限值，上述反应方程式中各项具体系数的确定，可由要求B4C的量值具体计算确定；对于加速度调整到使颗粒所受到的加速度值的大小应为重力加速度值的25-80倍是考虑到球磨机的限制，当球磨机具有使颗粒所受到的加速度值的大小为重力加速度值的80倍时，助剂镁粉的含量可为零，随球磨机使颗粒受到的加速度值的减小，应加助剂镁(Mg)粉，使B2O3和C的化学反应容易发生，所加助剂Mg的量，随颗粒受到的加速度值的减小而增加，当颗粒受到的加速度值的大小是重力加速度值的25倍时，Mg与B2O3的重量比值接近1.1；控制化学反应过程中磨罐内的压力与气体成份，是通过磨罐体[4]与磨罐盖[1]之间的螺纹[2]结构和多孔介质垫片[3]实现的，多孔介质垫片[3]可以阻止磨罐内的粉体进入螺纹[2]间隙，但可使磨罐内的气体产物通过多孔介质垫片[3]和螺纹[2]间隙排出磨罐。
本发明的主要优点是①由于只有球磨、酸洗和水洗工序，所以工艺简单；②由于工艺简单，加上原料经济，所以产品的成本低；③由于副产品MgO和过量的Mg易于分离，所以产品纯度高；④由于化学反应简单，并能完全进行，所以产品的成份、结构均匀。
图1是本发明所提出的磨罐正视剖面结构示意图。
图中显示，磨罐是由磨罐体[4]和磨罐盖[1]两部分构成。其磨罐体是一个杯状形的壳体，与磨罐盖之间，通过加工有螺纹[2]相合位连接压紧，而多孔介质垫片[3]则安放在磨罐体[4]内侧台[5]的上方和磨罐盖[1]端面下方的间隙处，当合位连接时被压紧在其中间，它的主要作用是工作时防止罐内粉体进入螺纹间隙，而只允许气体从中流出罐外，达到控制罐内气体成份与压力的目的。图中点划线为磨罐轴心线。
具体实施例方式
实施例1.
xxx工具厂，生产WC硬质合金，多年来都是采用烧结法，工艺复杂，成本高，质量不均匀，现采用本发明方法制备B4C硬质合金材料，其原料重量百分比wt％为B2O360％，C 40％，Mg粉与B2O3的重量比0.0，制备工艺步骤如下第一步，备料称取B2O39kg，C 6kg备用，其粉粒体的最大直径B2O3为3mm，而C为2.5mm；第二步，装罐将已称取的B2O3和C各自的量值一起投入可装200kg配料的磨罐中；再向罐内加φ30mm的钢球45kg，然后，将磨罐盖[1]盖在磨罐体[4]上，并在磨罐体[4]内侧台[5]上加有平均孔径为50μm的多孔介质垫片[3]，当磨罐盖与磨罐体合位时，被二者夹在中间而压紧；第三步，将磨罐放置于行星球磨机罐座上并锁紧；第四步，启动球磨机，并将工况通过电机调速器调至其内的颗粒受到的加速度为重力加速度的80倍进行运转，控制罐内的压力是通过螺纹[2]缝隙完成的，控制罐内粉粒是通过多孔介质垫片实现的；第五步，当磨罐的温度降至室温时，停机并卸载；第六步，取出罐内粉体，即可获得B4C产品；第七步，结果分析对产品作XRD和成份分析，结果表明，B4C晶体结构为六方晶系，B4C的含量为99.5％。
实施例2.
xxx刀具厂，过去用自曼延法，生产硬质合金车刀，由于成本高操作复杂，而采用本发明生产B4C的技术方案，所采用的原料配比为B2O3为79％，C为21％，Mg与B2O3的重量比为0.353，通过如下步骤制备B4C硬质合金材料第一步，备料称取B2O311.85kg，C 3.15kg，Mg 4.18kg，其各成份粉粒体的最大直径为2.5mm；第二步，装罐将已称取的B2O3、C和Mg各自的量值，一起投放入可装200kg配料的磨罐中；再向罐内加φ30mm的钢球57.5kg，然后，安放平均孔径为80μm的多孔介质垫片[3]，将磨罐盖[1]盖在磨罐体[4]上，并压紧；第三步，将磨罐放置于行星球磨机罐座上并锁紧；第四步，启动球磨机，并将工况通过电机调速器调至其罐内的颗粒受到的加速度为重力加速度的40倍进行运转，罐内的压力是通过螺纹[2]缝隙完成控制的，控制罐内粉粒是通过多孔介质垫片实现的；第五步，当磨罐的温度降至室温时，表明罐内化学反应结束，停机并卸载；第六步，取出罐内粉体，用20％稀盐酸洗去其中的MgO和过量的Mg后，用去离子水洗去盐酸，直至去离子水的PH值达到7.1为止，即可获得纯B4C产品；第七步，结果分析对产品作XRD和成份分析结果表明，B4C晶体结构为六方晶系，B4C的含量大于99.2％。
实施例3.
xxx单位，转产本发明所提出的用机械化学法制备B4C硬质合金材料，原料成份配比为B2O3为92wt％，C为8wt％，Mg与B2O3的重量比为1.1，其步骤如下第一步，备料按设计重量百分比wt％，称取B2O37.36kg，C 0.64kg，Mg 8.096kg，其粉粒体的最大直径为2mm第二步，装罐将已称取的B2O3、C和Mg各自的量值，一起投放到可装200kg配料的磨罐中；再向罐内加φ30mm的钢球48kg，然后，将平均孔径为100μm的多孔介质垫片[3]按放在磨罐体的内侧台[5]上，盖上磨罐盖[1]，并压紧；第三步，将磨罐放置于振动球磨机的罐座上，并锁紧；第四步，启动球磨机，并通过电机调速器调至颗粒受到的加速度大小为重力加速度的25倍，通过所设计的螺纹[2]结构，控制罐内的压力，通过多孔介质垫片[3]控制通气但不能使罐内粉粒流出罐外；第五步，当罐内化学反应结束时，温度开始下降，但温度降至室温时，则停机卸载；第六步，取出罐内粉体，用20％稀盐酸洗去其中的MgO和过量的Mg后，用去离子水洗去盐酸，直至去离子水的PH值达到7.1为止，便获得纯B4C产品；第七步，结果分析对产品作XRD和成份分析结果表明，B4C晶体结构为六方晶系，B4C的含量大于99.0％。
权利要求
1.用机械化学法制备B4C硬质合金材料，包括原料成份的配比、磨罐和制备工艺，其特征在于a).原料成份的重量百分配比wt％为B2O3为60-92％，C为8-40％，外加助剂Mg的重量应保证其量值与B2O3的重量之比为0-1.1；b).制备B4C的工艺步骤如下第一步，备料按制备B4C原料成份的重量百分比要求，取B2O3的称量、C的称量和按与B2O3的重量比值称取助剂Mg粉的量，备用；第二步，装罐将已称重的B2O3、C和Mg粉，一起装入磨罐中，为了增加在机械碰撞摩擦作用下发生化学反应，在磨罐内还加入重量约为装料重量3倍的磨球，磨球与装料的总体积约为磨罐体积的1/3，然后，通过磨罐体[4]与磨罐盖[1]之间的螺纹[2]结构合位压紧，并在其间加有垫片；第三步，固定磨罐将磨罐放置于球磨机的罐座上，并锁紧；第四步，启动球磨机将工况调至颗粒所受到的加速度值大小为重力加速度值的25-80倍；第五步，当磨罐的表面温度降至室温时，停机卸载；第六步取出磨罐内的粉体，用20％稀盐酸洗去产品中的MgO和过量的Mg后，用去离子水洗去盐酸，直至去离子水的PH值达到7-7.1之间为止，即得到B4C硬质合金材料产品。
2.根据权利要求1所述的用机械化学法制备B4C硬质合金材料，其特征在于成份配比中采用的原料B2O3、C和助剂Mg均应是粉粒体，其最大尺寸应小于3mm。
3.根据权利要求1所述的用机械化学法制备B4C硬质合金材料，其特征在于磨罐体[4]与磨罐盖[1]之间采用螺纹[2]连接结构，螺纹为普通粗牙螺纹。
4.根据权利要求1所述的用机械化学法制备B4C硬质合金材料，其特征在于磨罐体[4]与磨罐盖[1]之间所设有的垫片是多孔介质垫片[3]，其孔径大小的平均值为50-100μm。
5.根据权利要求1或3或4所述的用机械化学法制备B4C硬质合金材料，其特征在于控制化学反应过程中磨罐内的压力是通过磨罐体[4]与磨罐盖[1]之间的螺纹[2]结构和多孔垫片[3]实现的。
全文摘要
新材料制备领域中用机械化学法制备B
文档编号C01B31/36GK1559895SQ20041002116
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月16日 优先权日2004年2月16日
发明者谢洪勇, 张礼鸣, 王莱 申请人:大连理工大学