一種碳化鎢復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料加工工程領(lǐng)域，具體設(shè)及一種低成本高性能的碳化鶴復(fù)合材料的 制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機械摩擦、粘結(jié)、化學(xué) 磨損、崩刃、破碎W及塑性變形等磨損和破損，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫 時的力學(xué)性能、熱物理性能、抗粘結(jié)性能、化學(xué)穩(wěn)定性（氧化性、擴散性、溶解度等）和抗熱 震性能W及抗涂層破裂性能等[艾興、劉占強等，高速切削刀具的進展和未來.制造技術(shù)與 機床，2001年第8期：21-25]。基于運一要求，近幾十年來，發(fā)展了一批適于高速切削的刀 具材料，可在不同切削條件下，加工切削各種工件材料。目前較常見的高速切削材料有硬質(zhì) 合金材料、陶瓷材料和金剛石材料，其中硬質(zhì)合金材料運用最多最廣。硬質(zhì)合金（Carbide material)通常采用高硬度、難烙的金屬碳化物（WC、TiC等）的微米數(shù)量級粉末，采用 Co、Mn、Ni等作粘結(jié)劑燒結(jié)而成的硬度高、耐磨性好，耐高溫，切削速度高的材料[Amartya Mukhopadhyay-BikramjitBasu,RecentDevelopmentofWCbulkmaterials[J].JMater Sci(2011) 46:571-589]。碳化鶴材料本身的強度和初性較差，承受震動和沖擊能力較差，W Co等金屬作為粘結(jié)劑可W改善運些缺點。鉆是一種非常稀缺的資源，是重要的戰(zhàn)略資源之 一，其具有的戰(zhàn)略性遠遠超過鶴鋼錫錬，價格較高。同時WC材料的一些優(yōu)異的性能也會因 此受到影響，尤其是在高溫、高速、腐蝕環(huán)境下的性能[祝溪明，高速切削刀具材料的發(fā)展 應(yīng)用研究.機械設(shè)計與制造2012年11月第11期：244~245 ;劉建永，吳連連.高速切削 刀具材料的研究進展.熱處理技術(shù)與裝備，2012 (2) :39~41]。
[0003] 近年來國內(nèi)外有很多用不同金屬或金屬間化合物部分或完全替代鉆來作為WC的 粘結(jié)劑的研究工作，試圖在改善WC材料的力學(xué)性能，提高致密度的同時，提高材料的耐高 溫、抗腐蝕的性能。金屬間化合物（IntermetallicsCompounds,簡稱：IMC)是指金屬與金 屬、類金屬間形成的化合物。金屬間化合物由于其本身特殊的微觀組成特殊的晶體結(jié)構(gòu)、電 子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)，因而具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能、抗氧化耐腐蝕性能和特殊的物理性能。 常見的金屬間化合物有Ni-Al系金屬間化合物、化-Al系金屬間化合物和Ti-Al系金屬間 化合物。其中，Ni-Al系金屬間化合物包括NisAl基合金和NiAl基合金兩類。目前主要的制 備方法主要為金屬間化合物預(yù)合金法或置換反應(yīng)方法等。李小強等人公開了一種WNisAl 為粘結(jié)相的碳化鶴材料及制備方法，W增初NisAl代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘結(jié)相鉆，采用電流快速燒結(jié)法 成型固結(jié)球磨粉末[一種WNisAl為粘結(jié)相的碳化鶴材料及其制備方法，中國發(fā)明專利，公 開號：CN10323925A]。龍堅戰(zhàn)等人的授權(quán)專利中，發(fā)明了一種W鐵-侶金屬間化合物為主 粘結(jié)相的硬質(zhì)合金制備方法，具有致密化高、強度高、耐磨性好等優(yōu)點[W鐵-侶金屬間化 合物為主粘結(jié)相的硬質(zhì)合金及制備方法，中國發(fā)明專利，授權(quán)公告號：CN102134663B]。陳 必志等人發(fā)明了一種WNi-Al金屬間化合物為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金及制備方法，WWC-AI4W 預(yù)合金粉體為前驅(qū)體，由碳化鶴粉、儀粉、NiAl金屬間化合物為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金[一種 WNi-Al金屬間化合物為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金及其制備方法，中國發(fā)明專利，授權(quán)公告號：CN103205589B]?？傮w來說，目前WC刀具復(fù)合材料制備方法中，往往先要合成金屬間化合物 粉體，然后與WC混合并燒結(jié)成型，步驟冗長，提高了制備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種通過原位反應(yīng)和快速燒結(jié)技術(shù)制備碳化鶴復(fù)合材料 的方法，主要通過加入Ni、A1等元素粉體，與WC混合均勻后，在反應(yīng)過程中實現(xiàn)燒結(jié)助劑粉 體間的合金化反應(yīng)，通過改變燒結(jié)升降溫速率、保溫時間、燒結(jié)壓力等多個因素來控制碳化 鶴基復(fù)合刀具材料的微觀結(jié)構(gòu)，通過簡化操作步驟W及減少Co等元素的使用量降低成本， 提高碳化鶴基復(fù)合材料的致密性和力學(xué)性能。
[0005] 為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：一種WC基復(fù)合材料的制備方 法，WNiAl為例，包括如下步驟： W06] (1)將Ni粉、Al粉先混合均勻，干燥，過篩；
[0007] (2)將步驟（1)混合后的粉體與WC粉體混合均勻，干燥，過篩；
[000引 做將步驟似的粉體倒入石墨模具中，預(yù)壓；
[0009] (4)將裝有粉體的石墨模具放到燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空，加壓，開始燒結(jié)；
[0010] (5)燒結(jié)反應(yīng)結(jié)束后，降溫至室溫，先打開通氣閥，降壓后，打開爐膛，取出樣品，得 到塊體材料；
[0011] (6)將步驟（5)得到的塊體材料打磨，去掉表面的石墨片，得到復(fù)合材料。
[0012] 優(yōu)選地，采用的Ni粉體的粒徑為0. 5~10ym，Al粉的直徑為2~5ym，純度均 大于98%，Ni和Al摩爾比為1:1~3:1。
[0013] WC粉體的粒徑為1~20 ym，純度大于99% ,Ni和Al的總重量含量占整個碳化鶴 復(fù)合材料的5~15wt%。
[0014] 其中，（1)和似中粉體的混合方法為行星球磨，球磨在酒精或丙酬中進行。
[0015] 更進一步地，步驟（1)中Ni和Al粉混合時間為12-2地，步驟（2)中混合時間為 6-1 化。
[0016] 步驟（1)和似中混合后的粉體均過50~200目篩3~4次。
[0017] 優(yōu)選地，燒結(jié)過程中爐體保持為真空或氣氣氣氛。
[0018] 步驟（4)的燒結(jié)條件為：升溫速率為50~100°C/min,將裝有粉末的石墨模具 放到燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空，通入氣氣氣氛加壓，燒結(jié)升溫速率為100°C/min,燒結(jié)過程中預(yù)壓 25MPa，溫度在1000°C后，再加壓至50MPa，最終燒結(jié)溫度為1600°C，保溫時間為3min。
[0019] 本發(fā)明進一步提出了上述碳化鶴復(fù)合材料在制備碳化鶴刀具上的應(yīng)用。
[0020] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供了一種通過原位反應(yīng)和快速燒結(jié)技術(shù)制備碳化鶴 基刀具復(fù)合材料的方法，兩步混合法混料，先Ni和Al金屬粉末混合，然后再與WC粉體混 合，通過將多種金屬元素粉末與WC混合后在高溫下的合金化反應(yīng)，保證了合金化反應(yīng)和燒 結(jié)過程的同步完成，反應(yīng)過程中的放熱反應(yīng)可W降低燒結(jié)所需溫度，通過改變燒結(jié)工藝參 數(shù)，如升降溫速率、保溫時間、燒結(jié)壓力、燒結(jié)氣氛等多個因素可W有效控制碳化鶴基復(fù)合 刀具材料的微觀結(jié)構(gòu)，降低成本，提高碳化鶴基復(fù)合材料的致密性和力學(xué)性能，從而具有良 好的產(chǎn)業(yè)前景。
【附圖說明】
[0021] 圖1為實例1所述實驗參數(shù)下獲得的WC-NiAl復(fù)合材料的表面微觀結(jié)構(gòu)照片；
[0022] 圖2為實例1所述實驗參數(shù)下獲得的WC-NiyAly復(fù)合材料的硬度測試結(jié)果，同時加 入了WC-Co的硬度值作為比較。其中NixAly和Co的重量含量均為lOwt%。
【具體實施方式】
[0023] W下為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，僅用于解釋本發(fā)明，而非用于限制本發(fā)明，且由該 說明所作出的改進都屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求所保護的范圍。
[0024] 實施例1
[0025] 本實施例提供了一種WC基復(fù)合材料的制備方法，用于制備WC基刀具。復(fù)合材料 的制備步驟如下：
[0026](1)將Ni粉（粉體平均粒徑：0.5ym)、Al粉（粉體平均粒徑：2ym)混合，Ni和 Al的摩爾比為1:1，總重量為50g。先在酒精中通過行星球磨混合均勻，混合2地，然后在 80°C溫度下干燥12h，過200目篩3次；
[0027] 似將步驟（1)混合后的粉體5g與WC粉體（45g，粉體平均粒徑：IOiim)通過行 星球磨在丙酬或酒精中混合均勻，混合12h，然后在80°C溫度下干燥12h，過200目篩3次； [00測 做將步驟似的粉體倒入石墨模具中，用壓機預(yù)壓，壓力為TMPa;
[0029] (4)將裝有粉末的石墨模具放到燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空，通入氣氣氣氛加壓，燒結(jié)升溫 速率為IOOC/min,燒結(jié)過程中預(yù)壓25MPa，溫度在1000°C后，再加壓至50MP