一種CNTs增韌WC復合材料及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領域，具體涉及一種CNTs增韌WC復合材料及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] WC-Co硬質(zhì)合金，是一種常見的、重要的硬質(zhì)合金種類(YG系列），廣泛地應用于現(xiàn) 代刀具材料、耐磨、耐腐蝕和耐高溫材料領域，有現(xiàn)代工業(yè)的牙齒之稱。純WC材料很難燒結(jié) 致密，即使燒結(jié)致密，燒結(jié)溫度也往往在2000°C以上，如此高的燒結(jié)溫度對設備本身也是一 種損害，并且燒結(jié)后斷裂韌性只有~4MPa · 作為WC燒結(jié)時的一種粘結(jié)相，對WC有非 常好的潤濕性，同時能使WC燒結(jié)溫度降低到~1400°C，燒結(jié)時Co成為液相，大大增加 WC顆粒 擴散速率，使燒結(jié)致密，燒結(jié)后碳化鎢復合材料通常斷裂韌性在~12MPa · m1/2。然而，中國 的Co資源極其匱乏，嚴重依賴進口。隨著各國對一些戰(zhàn)略性資源的限制出口，國際Co價格上 漲的動力十分強勁，Co原料的供應也存在很多不穩(wěn)定因素。同時Co作為一種粘結(jié)劑，降低了 WC材料的硬度，耐腐蝕性和耐高溫性，限制了 WC材料在某些極端服役環(huán)境下的應用。因此， 尋找一種常見的來源廣泛的非粘結(jié)相的材料來替代Co,擺脫對國外的依賴，同時提高WC類 硬質(zhì)合金的硬度和高溫性能就顯得非常重要。
[0003]目前在對無粘結(jié)相WC材料的研究中，常采用兩種手段來提高其斷裂韌性。一是通 過晶粒細化的方式，能夠同時起到改善硬度和斷裂韌性的效果；二是添加陶瓷相顆粒/纖 維，或者陶瓷相的相變來改善其斷裂韌性。碳納米管(CNTs)是一種高彈性模量和高強度的 一維材料。由于其優(yōu)異的力學、熱學和電學性能，近年來大量應用于結(jié)構(gòu)材料增韌的研究。 目前在高分子材料或涂料中添加碳納米管進行增韌較為常見，但是在純WC中添加這種成 分，卻鮮有研究報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種CNTs 增韌WC復合材料。
[0005] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述CNTs增韌WC復合材料的制備方法。
[0006] 本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0007] -種CNTs增韌WC復合材料，由98 · 5~99 · 5wt · % 的WC，0 · 5~1 · 5wt · % 的CNTs以及 不可避免的微量雜質(zhì)組成。
[0008] 上述CNTs增韌WC復合材料的制備方法，包括以下制備步驟：
[0009] (1)將WC粉體、碳納米管和有機溶劑置于球磨機中進行濕式球磨，制得球磨漿料； [0010] (2)將球磨漿料干燥除去溶劑后過篩，獲得顆粒尺寸< 300μπι的復合粉末；
[0011] (3)將濕磨復合粉末置于模具中燒結(jié)固化成形，得到無粘結(jié)相的CNTs增韌WC復合 材料。
[0012] 優(yōu)選地，步驟(1)中所述的有機溶劑為乙醇。
[0013]優(yōu)選地，步驟(2)中所述的干燥是指干燥至溶劑殘余質(zhì)量< 1%。
[0014]優(yōu)選地，步驟(3)中所述的燒結(jié)是指采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)進行燒結(jié);具體燒結(jié) 條件如下：
[0015]燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流；
[0016] 燒結(jié)壓力：30~50MPa;
[0017]燒結(jié)氣氛:低真空<6Pa;
[0018] 升溫速率：50 ~300°C/min;
[0019] 燒結(jié)溫度：1650 ~1850°C;
[0020] 保溫時間：0~lOmin。
[0021] 本發(fā)明的復合材料及制備方法具有如下優(yōu)點及有益效果：
[0022] (1)本發(fā)明在純WC中加入碳納米管，碳納米管可以在純WC的燒結(jié)中起到補充碳的 作用，有效的抑制了缺碳相的出現(xiàn)；
[0023] (2)本發(fā)明采用粒徑較細的WC粉體并添加適量碳納米管制備了CNTs增韌WC復合材 料。細小的WC晶粒和的碳納米管的纖維增韌機制在有助于提高基體材料韌性的同時，同時 保持基體材料本身的高硬度；
[0024] (3)本發(fā)明制備的WC復合材料是一種由CNTs增韌的不含有任何金屬粘結(jié)相的WC復 合材料，它具有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性能以及較好的韌性，適合作為刀具材料或者 模具材料；
[0025] (4)本發(fā)明制備的WC復合材料不含有Co,與傳統(tǒng)WC-Co硬質(zhì)合金相比，它不僅可以 降低成本，還可以節(jié)約稀缺而且具戰(zhàn)略性的Co資源，更為重要的是，本發(fā)明所使用的碳納米 管已經(jīng)較好的商業(yè)化，來源廣泛。
【附圖說明】
[0026]圖1為實施例1所得CNTs增韌WC復合材料的XRD譜圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0028] 實施例1
[0029] 本實施例的一種CNTs增韌WC復合材料，通過如下方法制備：
[0030] (1)將99g WC(0 · 2μπι，純度>99 · 9%，廈門金鷺特種合金有限公司），lgCNTs(純度〉 99.9%，徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司），倒入250ml硬質(zhì)合金罐中，再加入乙醇作為溶劑 (所得混合漿料的體積不超過球磨罐容積的2/3)，得到混合漿料;將裝有混合漿料的球磨罐 置于行星式球磨機上進行濕式球磨(轉(zhuǎn)速180r/min，球磨時間為30h)，得到球磨楽;料；
[0031] (2)將球磨漿料置于真空干燥箱中干燥至溶劑殘余量<1%，取出烘干后的粉末碾 碎、過篩，獲得顆粒尺寸< 300μηι的復合粉末；
[0032] (3)取28g復合粉末裝進內(nèi)徑020 mm和外徑050 mm的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均以石墨紙隔開以便脫模，凹模外還包覆一層l〇mm厚的石墨氈以 減少熱輻射損耗;將裝有復合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，得到無 粘結(jié)相CNTs增韌WC復合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（< 6Pa)，燒結(jié)壓力為30MPa，升溫速率為100°C/min，測溫方式為紅外測溫U 570 °C)，燒結(jié)溫度為1700°C，保溫時間Omin。
[0033] 本實施例所得CNTs增韌WC復合材料經(jīng)測量其阿基米德法測試后計算得到相對密 度為98.1%;采用維氏硬度計并設定載荷30kg力測試硬度，硬度為HV 3Q23GPa;根據(jù)維氏硬度 壓痕，采用壓痕法計算得到斷裂韌性ll.OIMpa · m1/2。
[0034] 本實施例所得CNTs增韌WC復合材料的XRD譜圖如圖1所示，圖中所出現(xiàn)衍射峰均為 WC相。
[0035] 實施例2
[0036] 本實施例的一種CNTs增韌WC復合材料，通過如下方法制備：
[0037]步驟(1)~(2)與實施例1相同；
[0038] (3)取28g復合粉末裝進內(nèi)徑020 mm和外徑050 mm的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均以石墨紙隔開以便脫模，凹模外還包覆一層l〇mm厚的石墨氈以 減少熱輻射損耗;將裝有復合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，得到無 粘結(jié)相CNTs增韌WC復合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（< 6Pa)，燒結(jié)壓力為30MPa，升溫速率為100°C/min，測溫方式為紅外測溫U 570 °C)，燒結(jié)溫度為1700°C，保溫時間1 Omin。
[0039] 本實施例所得CNTs增韌WC復合材料經(jīng)測量計算其相對密度為98.9%，硬度為 HV3〇21 · 6GPa，斷裂韌性9 · 95Mpa · m1/2。
[0040] 實施例3
[0041 ]本實施例的一種CNTs增韌WC復合材料，通過如下方法制備：
[0042]步驟(1)~(2)與實施例1相同；
[0043] (3)取28g復合粉末裝進內(nèi)徑020 mm和外徑05:0 mm的圓筒形石墨模具中，粉 料、凹模與沖頭兩兩之間均以石墨紙隔開以便脫模，凹模外還包覆一層l〇mm厚的石墨氈以 減少熱輻射損耗;將裝有復合粉末的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，得到無 粘結(jié)相CNTs增韌WC復合材料。所述燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)氣氛為 低真空（< 6Pa)，燒結(jié)壓力為50MPa，升溫速率為300°C/min，測溫方式為紅外測溫U 570 °C)，燒結(jié)溫度為1800°C，保溫時間Omin。
[0044] 本實施例所得CNTs增韌WC復合材料經(jīng)測量計算其相對密度為98.5%，硬度為 HV3〇21.0GPa，斷裂韌性11.06Mpa · m1/2。
[0045] 實施例4
[0046] 本實