专利名称：无粘结相超细纯碳化钨的烧结方法
技术领域：
本发明涉及一种碳化钨的烧结方法，具体是一种无粘结相超细纯碳化钨的烧结方法。用于粉末冶金及与硬质材料应用领域。
背景技术：
碳化钨(WC)是最常用的硬质材料。由于WC的熔点高达3048K，通常以WC-Co等烧结硬质合金的方式被生产利用，Co等起着粘结作用。Co等粘结相的添加不仅降低了材料的硬度，耐腐蚀性和耐氧化性，也使得生产过程复杂化，并且由于与WC的热膨胀系数的差异而容易引起热应力。此外，通常加工钢件时，由于低熔点粘结相Co的存在切屑容易粘在刀具上影响刀具的使用效果，而细小的晶粒尺寸有利于提高硬质材料的性能。常规烧结方式需要部分液相，一些WC晶粒向液相中溶解，然后在另一些晶粒上析出，使后者长大。原始WC粉末的颗粒越细，WC在液相中的溶解度和溶解速度越大，烧结时的长大越严重，而且常规烧结方式处理时间过长，很难获得超细硬质材料。近年出现的SPS放电等离子烧结技术(以下简称SPS技术)通过将特殊电源控制装置发生的ON-OFF直流脉冲电压印加到压粉体试料，除了通常放电加工所引起的烧结促进作用(放电冲击压力和焦尔加热)外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象(瞬间产生高温等离子体)所引起的烧结促进作用。
经对现有技术文献的检索发现，Seung I.Cha等人在《Materials Science andEngineering A》356(2003)381-389上发表的“Microstructures of binderlesstungsten carbides sintered by spark plasma sintering process”(Seng I.Cha等，“利用SPS技术烧结的无粘结相碳化钨的显微组织”，材料科学与工程A，2003年356卷381-389页)一文，该文利用SPS技术对于纯碳化钨烧结，通过降低烧结温度(1700℃以下)和缩短烧结时间，抑制了晶粒异常长大，但原始粉末粒径越细，烧结致密度越低，WC粒径细的材料孔隙较多，且WC平均粒径没有达到超细(500nm以下)的程度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无粘结相超细纯碳化钨的烧结方法，使其采用SPS技术直接烧结无粘结相超细纯碳化钨材料，从而克服现有硬质材料的缺点，形成一种工艺简单，成本低廉，生产周期短，性能优越的硬质材料的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明以经过真空或惰性气体保存的无粘结相的超细纯WC粉为原材料，将原材料粉在电极用高强度石墨模具中压实后，连同模具一起置于SPS放电等离子烧结装置的上下电极之间，抽取真空使真空度达到5Pa以上后通电以平均约180℃/min的速度升温并在石墨模具的承受极限范围内加压，达到烧结温度1400-1600℃后保温0-8分钟，断电冷却后取出试料。
加压方式可以有几种一种是与升温同步异压，即与升温同时开始异压，达到烧结温度时压力达到极限；另一种是始终保持同一压力；也可以分段加压，即加热初期使用较低的恒定压力，在收缩开始时迅速加压至极限并一直保持。
经观察、分析和测试，本发明获得了原始颗粒粒径基本保持的高密度(相对密度97-100％)，高硬度(2000-2700Hv和93-96.5HRA)和高断裂韧性(8-15MPam1/2)的高性能超细纯WC块状材料。
本发明利用阿基米德的浮力原理测定密度。维氏硬度的测定条件为载荷20Kg，加载持续时间15秒。采用压痕法计算材料的断裂韧性。本发明的原材料可采用各种粒径的纯WC粉，只是粒径不同时最佳烧结条件及所得材料的性能有所差别(粒径越细作为硬质材料的性能越好，但越难致密化烧结)，平均粒径200nm是目前能够得到的最细的纯WC(粉)材料。即使是有粘结相的常用WC-Co，用常规烧结技术也很难得到平均粒径达到200nm程度的超细块状材料。
本发明的关键在于放电等离子烧结技术的有效利用，其具有高速烧结、表面净化作用以及粉体间的火花放电等特性，高速烧结克服了常规烧结时不能有效抑制烧结过程中的晶粒长大的缺点，电场的作用使粉体粒子表面容易活性化(表面净化)，而“粉体间的火花放电”使得在需要粒间结合的部分能够集中高能量脉冲(高温等离子体)，是成功烧结无低融点粘结相的高融点纯WC的决定性因素。
具体实施例方式
结合本发明的内容提供以下实施例
实施例1将平均粒径约200nm的超细纯WC粉约30g在内径20mm的石墨模具中压实后，连同模具一起置于SPS装置的上下电极之间，抽取真空后通电以约160℃/min的速度升温并分段加压，达到烧结温度1400℃后保温4分钟，断电冷却后取出试样。扫描电镜观察的结果显示烧结后的WC粒径与原始粉末粒径保持一致。经测定，该试样的相对密度为97.1％，硬度约为2050Hv和94.1HRA，断裂韧性约为15MPam1/2。。
实施例2将平均粒径约200nm的超细纯WC粉约13g在内径15mm的石墨模具中压实后，连同模具一起置于SPS装置的上下电极之间，抽取真空后通电以约150℃/min的速度升温并分段加压，达到烧结温度1450℃后保温8分钟，断电冷却后取出试样。经测定，该试样的相对密度为98％，硬度约为2700Hv和95HRA，断裂韧性约为9MPam1/2。
实施例3将平均粒径约200nm的超细纯WC粉约35g在内径20mm的石墨模具中压实后，连同模具一起置于SPS装置的上下电极之间，抽取真空后通电以约180℃/min的速度升温并分段加压，达到烧结温度1430℃后保温4分钟，断电冷却后取出试样。X线衍射试验的结果表明该试样仍由单一的WC相构成。扫描电镜观察的结果显示烧结后的WC粒径与原始粉末粒径基本一致。经测定，该试样的相对密度为98.1％，硬度约为2600Hv和96.1HRA，断裂韧性约为11MPam1/2。
实施例4将平均粒径约200nm的超细纯WC粉约11g在内径15mm的石墨模具中压实后，装入SPS装置，抽取真空后通电以约150℃/min的速度升温并分段加压，达到烧结温度1500℃后保温4分钟。X线衍射试验的结果表明该试样仍由单一的WC相构成。扫描电镜观察的结果显示该试样的WC粒径比原始粉末粒径有所长大，但不很明显。经测定，该试样的相对密度为99.6％，硬度约为2550Hv，断裂韧性约为10MPam1/2。
实施例5将平均粒径约200nm的超细纯WC粉约13g在内径15mm的石墨模具中压实后，装入SPS装置，抽取真空后通电以约150℃/min的速度升温并分段加压，达到烧结温度1600℃后保温0分钟。X线衍射试验的结果表明该试样仍由单一的WC相构成。经测定，该试样的密度为15.6g/cm3(相对密度达100％)，硬度约为2600Hv，断裂韧性约为10.5MPam1/2。
权利要求
1.一种无粘结相超细纯碳化钨的烧结方法，其特征在于，以经过真空或惰性气体保存的无粘结相的超细纯WC粉为原材料，将原材料粉在电极用高强度石墨模具中压实后，连同模具一起置于SPS放电等离子烧结装置的上下电极之间，抽取真空使真空度达到5Pa以上后通电升温并在石墨模具的承受极限范围内加压，达到烧结温度后保温，断电冷却后取出试料，所述的真空度达到5Pa以上后通电以平均180℃/min的速度升温，烧结温度为1400-1600℃，保温时间0-8分钟。
2.如权利要求1所述的无粘结相超细纯碳化钨的烧结方法，其特征是，加压方式有几种一种是与升温同步昇压，即与升温同时开始昇压，达到烧结温度时压力达到极限；另一种是始终保持同一压力；第三种是分段加压，即加热初期使用较低的恒定压力，在收缩开始时迅速加压至极限并一直保持。
全文摘要
一种无粘结相超细纯碳化钨的烧结方法，用于粉末冶金及与硬质材料应用领域。本发明以经过真空或惰性气体保存的无粘结相的超细纯WC粉为原材料，将原材料粉在电极用高强度石墨模具中压实后，连同模具一起置于SPS放电等离子烧结装置的上下电极之间，抽取真空使真空度达到5Pa以上后通电升温并在石墨模具的承受极限范围内加压，达到烧结温度后保温，断电冷却后取出试料。真空度达到5Pa以上后通电以平均180℃/min的速度升温，烧结温度为1400－1600℃，保温时间0－8分钟。本发明采用SPS技术直接烧结无粘结相超细纯碳化钨材料，从而克服现有硬质材料的缺点，具有工艺简单，成本低廉，生产周期短，得到性能优越的硬质材料。
文档编号C01B31/00GK1609053SQ20041006802
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月11日 优先权日2004年11月11日
发明者黄斌, 陈立东 申请人:上海交通大学