本发明属于硬质导体纳米块体材料制备的技术领域,涉及无粘接剂纳米聚晶立方一硼化钛(c-tib)块体材料的制备方法。
背景技术:
纳米聚晶块体材料由于具备高致密性和高晶界密度、表现出高强度和韧性而备受关注。然而,在硬质合金材料料中,制备高致密的纳米块体材料比较困难。因为纳米材料的脆性随着晶粒尺寸的减小而增加,粒径越小,烧结体的致密性越低。传统的无压高温烧结、微波烧结、等离子体活化烧结等制备纳米块体材料方法中,由于烧结温度较高,导致晶粒在烧结过程中快速长大,达到微米或亚微米尺寸,难以获得纳米级块体材料。此外,目前纳米级粒径的硬质合金材料一般多为粉末。传统低温制备纳米级块体硬质合金材料,则需要加入金属粘接剂。然而,粘接剂的使用不仅引入了金属杂质,导致纳米块体材料的力学性能大幅度降低,难以获得力学性能优异的纳米聚晶硬质合金块体材料。另一方面,根据霍尔佩奇效应,通过缩小晶粒尺寸来制备纳米聚晶硬质合金,将会增加其晶界密度,不仅可以保持优异的功能特性,同时有效的提高材料的硬度和韧性。因此,寻找无粘接剂的高致密纳米块体材料制备方法有重要意义。
技术实现要素:
本发明要解决的技术问题是,克服现有技术存在的不足,不使用粘接剂,采用高温高压合成方法制备纳米聚晶c-tib块体材料。该方法以纳米c-tib粉末为原料,在不添加粘接剂的前提下,通过真空干燥处理和温度压力调节,制备出纳米聚晶c-tib块体材料。
本发明的具体技术方案如下所述。
一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法,步骤为:以纳米c-tib粉末为原料,首先对原料进行真空干燥处理,然后将原料在大于或等于3gpa压力下1000k温度烧结30分钟,之后冷却卸压,得到纳米聚晶一硼化钛块体材。
本发明中,在将原料进行烧结之前,优选进行真空干燥处理,具体是在真空环境下,200℃干燥5小时;
本发明所述的冷却卸压,是停止通电加热后,组装块自然冷却至常温,然后卸压。
在本发明中,烧结时压力范围优选5gpa~20gpa。
本发明的实验3~5gpa压力可以在国产spd6x600型六面顶压机上完成。大于5gpa的实验使用walker大体积多级压砧实验装置。
本发明选择广泛应用于工业中的复合材料、防护涂层等方面的硬质合金立方一硼化钛(c-tib),在不使用粘接剂的情况下,利用高温高压烧结方法,在高压下有效抑制烧结过程中晶粒长大,制备出高性能的纳米聚晶块体材料。本发明不仅对提高c-tib的硬度有意义,而且对制备其他无粘接剂的高致密纳米体材料有重要参考价值。
综上,本发明有以下有益效果:
1、本发明不使用粘接剂,避免了粘接剂对材料性能的不利影响;
2、本发明采用高温高压方法有效提高了纳米聚晶c-tib的致密性和硬度;
3、本发明优选的方案通过对原料进行真空干燥前期处理,进一步提高了样品的致密性。
附图说明
图1是实施例1、2中高温高压烧结的纳米聚晶c-tib的x光衍射图。
图2是实施例1中高温高压烧结的纳米聚晶c-tib的sem图。
图3是实施例3中高温高压烧结的纳米聚晶c-tib的x光衍射图。
图4是实施例1~3中高温高压烧结的纳米聚晶c-tib的维氏硬度图。
图5是实施例5中通过谢乐公式计算的纳米聚晶c-tib粒径与烧结压力关系图。
具体实施方式
实施例1
采用纳米c-tib粉末为原料。在200℃的温度下真空干燥5h,对原料进行预处理。不添加任何粘接剂将原料粉压成圆柱状,使用六面顶液压机在5gpa压力下,1000k,保温保压30分钟。使用walker压机在压力10gpa、15gpa、20gpa,温度1000k,保温保压30分钟。制得纳米聚晶c-tib块体样品。具体的x光衍射结果见图1。对制备的样品进行扫描电子显微镜sem测试,如图2所示。可以看出所制备的样品均为纳米颗粒,且随烧结压力增加,样品的粒径减小。(本实施例中5gpa、10gpa、15gpa、20gpa下的实验结果是本发明的最佳实施例)
实施例2
采用实施例1的原料和预处理条件,与实施例1相同的组装,将原料在压力3gpa,温度1000k,保温保压30分钟。制得纳米聚晶c-tib块体样品。具体的x光衍射见图1中3gpa压力下的结果。与实施例1比较发现,当烧结压力低于5gpa时,样品致密性稍差,硬度降低。
实施例3
采用实施例1的原料,不进行真空干燥处理,与实施例1相同的组装,将原料在压力3gpa、5gpa和19gpa,温度1000k,保温保压30分钟。制得纳米聚晶c-tib块体样品。具体的x光衍射结果见图3。与实施例1比较发现,当未对原料进行真空干燥处理时,样品致密性稍差,粒径较大,硬度降低。
实施例4
采用实施例1、2和3制得的样品,采用维氏显微硬度仪进行硬度测试。结果表明,随烧结压力增加样品硬度值逐渐提高。同等压力温度条件下,原料经过真空干燥处理的样品,其硬度明显提高。具体硬度结果见图4。
实施例5
采用实施例1、2和3制得的样品的x光衍射结果,通过谢乐公式
通过以上实施例可以看出,无粘接剂高温高压烧结是制备高致密纳米级块体材料的有效方法。烧结压力和原料真空预处理是影响材料粒径大小、致密性和硬度的重要因素。由实施例1~5可以看出,随烧结压力增加,材料粒径减小,致密性提高,硬度增加。