一种无粘结相碳化钨复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于碳化鹤复合材料技术领域，设及一种无粘结相的碳化鹤复合材料，还 设及一种简单高效地制备上述无粘结相的碳化鹤复合材料的方法。
【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°CW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~4MPa?ml/2。Co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为~12MPa?mi/2。然而， 中国的Co资源极其匿乏，严重依赖进口。随着各国对一些战略性资源的限制出口，国际Co 价格上涨的动力十分强劲，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，并且在WC中不形成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。目前在对无粘 结相WC材料的研究中，添加陶瓷相是一种思路，陶瓷材料由于具有耐高溫、耐腐蚀、耐磨损 等优良性能而受到重视，但是由于脆性问题（初性、塑性低，强度不高，性能稳定性和可控 性差）使其应用相当受限，因此利用陶瓷相颗粒/纤维，或者相变来改善强初性，是选择陶 瓷相的一个重要标准（郑东海.放电等离子烧结制备陶瓷颗粒/晶须增初WC复合材料的 研究巧].华南理工大学，2013.)。 阳00引目前在WC中单独添加Al2〇3或ZrO2陶瓷粉末，利用Al2〇3颗粒增初或ZrO湘变增 初的报道常见于论文和专利中，但是同时在WC中添加运两种成分，却鲜有研究报道，并且 单独添加Al2〇3或ZrO2陶瓷时，在提高初性的同时，复合材料的硬度明显下降。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种综合性能优异的无 粘结相碳化鹤复合材料。
[0005] 本发明的另一目的在于提供上述无粘结相碳化鹤复合材料的制备方法。
[0006] 本发明的目的可W通过如下技术方案来实现：
[0007] 一种无粘结相碳化鹤复合材料，其原料组分为WC、Zr〇2 (3Y)、Al2〇3,各组分的质量 百分数为胖(：：88~94%，八12〇3:1.9~3.7%，2'〇2(3￥):4.1~8.3%，其余为不可避免的杂 质含量。
[0008] 所述Zr〇2(3Y)含3mol.%Y203。
[0009] 所述无粘结相碳化鹤复合材料的制备方法，包括W下步骤：
[0010] (1)将WC、Zr〇2(3Y)、Al2〇3原料粉末置于有机溶剂或无机溶剂中进行湿式球磨，制 得混合浆料；或将原料粉末直接进行干式球磨；
[0011] (2)将湿磨完W后的混合浆料进行干燥，直至溶剂残余量《1%，娠碎、过筛，获得 颗粒尺寸《150ym的湿磨复合粉末；干磨后的粉末不需烘干直接娠碎、过筛，获得颗粒尺 寸《150ym的干磨复合粉末；
[0012] (3)采用放电等离子烧结技术对复合粉末进行固化成型和烧结，得到无粘结相碳 化鹤复合材料。
[0013] 所述放电等离子烧结技术的烧结工艺条件为：
[0014] 烧结电流类型为直流脉冲电流； 阳01引 烧结压力：30~50MPa;
[0016] 烧结气氛：低真空《6Pa ;
[0017]升溫速率：50~300°C/min ; 阳01引 烧结溫度：1350~1600°C;
[0019] 保溫时间：0~20min。
[0020] 所述有机溶剂为乙醇，所述无机溶剂为水。
[0021] 所述干式球磨是指将原料粉末置于球磨机后抽真空，然后通入惰性气体，再进行 球磨。
[0022] 本发明与现有技术相比具有W下突出的优点： 阳02引1、本发明制备的WC复合材料是一种由Al2〇3和ZrO2陶瓷增初的不含有任何金属 粘结相的WC复合材料，具有很高的硬度、耐磨性和抗氧化性能，W及较好的初性，它适合作 为刀具、钻头或模具材料；
[0024] 2、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Alz化 和Zr化陶瓷易于制取，来源广泛，价格便宜，相较于添加其他无Co类碳化鹤复合材料，成本 更低； 阳02引 3、由于AI2O3和ZrO么间、WC和ZrO么间可形成固溶体，再加上本发明采用了快 速高效的放电等离子烧结（SP巧制备方法，从而促进复合材料的致密化，使得该=元复合 材料在1400°C烧结时近乎全致密，实现了在较低溫度下制取致密的无粘结相WC复合材料， 节能高效；
[0026]4、本发明制备的添加Al2〇3和ZrO2陶瓷的WC复合材料，硬度和断裂初性分别 达Hv3〇21GPa、9MPa?ml/2,综合性能优于单独添加同质量分数的WC-9wt. %Al2〇3(19.8GPa， 6. OMPa ? mi/2)，wC-9wt. % Zr〇2(18. OGPa，10. 5MPa ? mi/2)。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合具体实施例对本发明进行进一步的阐述，但本发明的实施方式不限于 此。 阳0測 实施例1
[0029] 一种无粘结相碳化鹤复合材料的制备方法，包括W下步骤：
[0030] (1)将 91gWC(粒径 0.8ym)，纯度 >99. 9% )、2.SgAI2O3粉末（a态，0.Ium)和 6. 2gZr化(3巧（3mol. %Yz化，0. 08um)倒入250ml硬质合金球磨罐中，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20化/min,球磨时间为30h)，得到球磨浆料；
[0031] (2)将球磨浆料置于真空干燥箱中干燥至溶剂残余量《1%; 阳0巧 做取出烘干后的粉末娠碎、过筛，获得颗粒尺寸《150ym的复合粉末； 阳〇3引 （4)取26g复合粉末装进内径020mm和外径050mm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IOmm厚的石墨拉W减少热福射损耗；
[0034] (5)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 相碳化鹤复合材料；所述烧结参数：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1400°C，保溫时间5min。 阳03引结果：经上述方法制备的无粘结相碳化鹤复合材料，WC、AI2O3和ZrO2的质量比为 91% :2.8% :6. 2%，烧结溫度1400°C。经测量其相对密度为98.6%，硬度为Hv3。21GPa，断 裂初性8. 07MPa?mi/2。
[0036] 实施例2
[0037] 一种无粘结相碳化鹤复合材料的制备方法，包括W下步骤：
[0038] (1)将91gWC(0.8ym，纯度>99. 9% )、2.SgAI2O3粉末（口 态，0.Ium)和6. 2g Zr〇2(3Y) (3mol.%Y2〇3,〇.〇8um)倒入化不诱钢球磨罐后，对球磨罐抽真空，然后充入氣气， 至罐内压力高于大气压；再将球磨罐置于行星式球磨机上进行干式球磨，转速2(K)r/min， 球磨时间为30h;
[0039] (2)将干磨后的粉末娠碎、过筛，获得颗粒尺寸《150ym的复合粉末； W40] 做取26g复合粉末装进内径020mm和外径050mm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IOmm厚的石墨拉W 减少热福射损耗；
[0041] (4)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 相碳化鹤复合材料；所述烧结参数：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1400°C，保溫时间5min。 阳0创结果：经上述方法制备的无粘结相碳化鹤复合材料，WC、AI2O3和ZrO2的质量比为 91% :2.8% :6. 2%，烧结溫度1400°C。经测量其相对密度为98. 6%，硬度为兩3。16. 5GPa， 断裂初性 11. 60MPa?mi/2。 W43] 实施例3
[0044] 一种无粘结相碳化鹤复合材料的制备方法，包括W下步骤：
[0045] (1)将91gWC(0.8ym，纯度>99. 9% )、2.SgAI2O3粉末（口 态，0.Ium)和6. 2g Zr〇2(3Y) (3mol.%Y203,0. 〇8um)倒入250ml硬质合金球磨罐中，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20化/min,球磨时间为30h)，得到球磨浆料；
[0046] 似~（4)与实施例1的步骤似~（4)相同；
[0047] (5)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 相碳化鹤复合材料；所述烧结参数：烧结气氛为低真空（《6Pa)，烧结压力为50MPa，升溫 速率为200°C/min,测溫方式为红外测溫（> 570°C)，烧结溫度为1400°C，保溫时间5min。 W48] 结果：经上述方法制备的无粘结相碳化鹤复合材料，WC、Al2〇3和ZrO2的质量比为 91% :2.8% :6. 2%，烧结压力50Mpa，升溫速率200°C/min,烧结溫度1400°C。经测量其相 对密度为98. 0%，硬度为Hv3〇19.8GPa，断裂初性8. 56MPa?ml/2。 W49] 实施例4