[發明專利]一種石墨烯改性的硬質合金、其制備工藝及應用

有效

• 申請號: 201210246491.9
• 申請日: 2012-07-17
• 公開（公告）號: CN102719719A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 王永富;陳名海
• 申請（專利權）人: 王永富
• 主分類號: C22C29/00
• 分類號: C22C29/00;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 北京華夏博通專利事務所(普通合伙) 11264
• 代理人: 王鋒;孫東風

技術領域

本發明涉及一種硬質合金及其制備工藝，特別涉及到一種石墨烯改性的硬質合金及其制備方法和應用。

背景技術

硬質合金是被譽為“工業牙齒”，是由碳化物硬質相與金屬粘結相燒結成的金屬陶瓷復合材料，具有硬度大、強度高、耐磨好、紅硬性高等優異特性，是機械加工、礦山鉆探、工業裝備等領域的關鍵材料。目前，硬質合金中碳含量主要采用直接碳粉添加的形式直接混入硬質合金粉末中，通過球磨達到與硬質合金粉末的良好混合和分散，但是由于碳粉與硬質合金密度差異大，且原始碳粉粒度大，容易造成偏析，導致最終燒結體碳含量分布不均勻。現有的工業路線一般需采用長時間球磨達到兩者的均勻混合，但其成本高，工時長。而且隨著工業加工效率和精度的日益提高，人們對硬質合金的強韌性等要求也越來越高。因此如何發展出一種簡單高效、低成本的高性能硬質合金制備技術一直是業界長期以來渴望解決的技術難題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯改性的硬質合金、其制備工藝及應用，從而克服現有技術中的不足。

為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案：

一種石墨烯改性的硬質合金，包含硬質合金基體以及均勻分散于硬質合金基體中的石墨烯材料，且所述石墨烯材料的含量為0.01-0.5wt%。

一種石墨烯改性的硬質合金的制備工藝，是通過將石墨烯材料均勻分散于水和/或有機溶劑形成石墨烯分散液之后，再與硬質合金粉末混合，并依次經球磨、干燥、造粒、壓制成型、脫脂和燒結工序制得目標產品。

前述石墨烯材料的用量優選為硬質合金粉末重量的0.1-2%

進一步的講，該方法中是通過球磨分散、研磨分散、超聲分散和高速剪切分散工藝的任意一種將氧化石墨烯均勻分散于水和/或有機溶劑中形成石墨烯分散液的。

所述有機溶劑包括乙醇、NN-二甲基甲酰胺、四氫呋喃、NN-二甲基乙酰胺、甲苯等，但不限于此。

優選的，在前述球磨工序中，球磨轉速100-250轉/分鐘，球磨時間12-96小時。

在前述造粒工序中，還向混合反應物中加入了用量為硬質合金粉末重量1-10%的成型劑，所述成型劑包括聚乙烯醇、橡膠和石蠟中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。

在前述壓制成型工序中，壓制壓力為200-400?MPa。

在前述脫脂工序中，脫脂溫度為300-450℃，升溫速率0.5-2℃/分鐘，保溫3分鐘以上。

前述燒結工序可采用惰性氣體燒結、真空燒結和低壓燒結工藝中的任意一種，且燒結溫度為1300-1500℃。

一種硬質合金制品，它主要由如上所述的石墨烯改性的硬質合金組成。

前述石墨烯材料尤其優選采用氧化石墨烯材料。

與現有技術相比，本發明的優點至少在于：

（1）采用石墨烯材料，尤其是氧化石墨烯作為添加成分，由于氧化石墨烯表面帶有大量含氧基團，具有易分散、高活性的特點，能夠是現在乙醇介質中的良好分散，克服傳統碳粉添加均一性差的不足；

（2）氧化石墨烯具有巨大的表面積，且為超薄柔韌片狀結構，能夠通過簡單物理吸附包裹在硬質合金粉末表面，在后續球磨過程中實現與硬質合金的良好復合和嵌入，實現在硬質合金基體中的良好分散；

（3）石墨烯在后續燒結過程中迅速被還原，并與基體硬質合金發生反應，調節硬質合金中的碳含量，由于其具有比傳統石墨粉高得多的活性，因此能夠使硬質合金基體碳含量更加均勻，改善組織均一性；

（4）石墨烯具有優異的綜合力學性能，兼有超高力學強度和柔韌性，殘余的石墨烯能夠發揮增強增韌作用，實現對硬質合金力學性能的提升。

附圖說明

圖1?是本發明中石墨烯改性硬質合金的制備工藝流程圖；

圖2?實施例1所制得目標產品的掃描電子顯微鏡組織照片；

圖3?實施例2所制得目標產品的掃描電子顯微鏡組織照片。

具體實施方式

針對現有硬質合金制備技術的不足，本案發明人經長期研究和實踐，提出了利用石墨烯材料對硬質合金中碳含量控制的方案，并藉由該技術方案實現了對硬質合金力學性能，如強度和韌性的大幅提升。

具體而言，在制備本發明石墨烯改性的硬質合金的過程中，是將硬質合金粉末與石墨烯材料，尤其是氧化石墨烯均勻混合，并使石墨烯材料在后續燒結成型過程中部分被消耗，部分殘留其中（約50%以下），從而發揮調節碳含量及力學增強作用。尤為優選的，是將硬質合金粉末與占其重量0.1-2%的氧化石墨烯均勻混合后燒結。