[發明專利]一種原位自生β-SIALON晶須增韌碳化鎢復合材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010738040.1
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111943702B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 李小強;李京懋;吳祖驥;曹廷;屈盛官;梁良
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/622
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 饒周全

本發明屬于新材料制備領域，具體公開了一種β?SIALON晶須增韌碳化鎢復合材料及其制備方法與應用。本發明通過Si源粉與Al源粉在燒結過程中原位反應生成β?SIALON晶須，解決了向WC基體中直接添加晶須可能引發的分散問題。同時利用β?SIALON晶須原位自生反應的過程，降低無粘結相晶須增韌WC材料的燒結溫度，同時提高復合材料的斷裂韌性。在較低溫度得到致密的β?SIALON晶須增韌WC復合材料，降低了無粘結相晶須增韌WC材料商業應用的門檻。所制備的β?SIALON晶須增韌WC復合材料，具有較好的力學性能，適合用作刀具或者模具等材料。

技術領域

本發明屬于新材料制備領域，具體涉及一種β-SIALON晶須增韌碳化鎢復合材料及其制備方法。

背景技術

WC-Co硬質合金具有高硬度以及較好的韌性，已被廣泛應用于各種工程領域，例如機械加工，模具制造，建筑工程等。但是，作為金屬粘接相的Co會降低硬質合金的高溫力學性能、耐腐蝕性和耐氧化性等。這就限制了WC-Co硬質合金在高速加工、工業密封閥、磨料噴嘴等更嚴苛的服役環境中的應用。另一方面，我國是一個貧鈷國家，對鈷金屬的需求幾乎完全依賴進口。而由于電池行業的發展以及局勢變化，國際鈷價自2008年以來已經三起三落。因此，尋找非粘結相代Co材料，擺脫對Co的依賴，同時提高WC類硬質合金的高溫性能、耐酸堿性能就顯得非常重要。

目前對無粘結相WC基復合材料的研究集中于提高其斷裂韌性上，通常借鑒陶瓷材料増韌手段，通過引入第二相顆粒増韌、晶須増韌等手段同時控制晶粒大小等工藝參數提高其斷裂韌性。與金屬粘接WC硬質合金相比，采用第二相陶瓷粘接的無鈷(無金屬)WC硬質合金具有更好的室溫/高溫硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗氧化性等性能。已有諸多關于此類硬質合金的報道，如WC-氧化鋁(Al₂O₃)顆粒/晶須、WC-氧化鋯(ZrO₂)顆粒/晶須、WC-氧化鎂(MgO)顆粒/晶須、WC-碳納米管(CNT)、WC-β氮化硅(β-Si₃N₄)和WC-碳化硅(SiC)晶須等。一般而言，同種材料的晶須形態比顆粒形態的增韌效果好。但是直接添加晶須會引發晶須易團聚的問題降低材料致密度。同時，直接添加晶須還會增加晶須被人體吸入的健康風險。目前利用原位自生β-SIALON晶須增韌硬質合金、降低燒結溫度并得到較高力學性能的無粘結相WC復合材料的研究尚未有報道。

發明內容

為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種原位自生β-SIALON晶須增韌WC復合材料；

本發明另一目的在于提供一種制備上述原位自生β-SIALON晶須增韌WC復合材料的方法。有效地解決β-SIALON晶須在WC基體內的分布均勻性較差的問題，提高材料致密性，并實現兩相良好的界面結合。

本發明再一目的在于提供上述原位自生β-SIALON晶須增韌WC復合材料在機械加工，模具制造和建筑工程中的應用。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種原位自生β-SIALON晶須增韌WC復合材料，所述復合材料以β-SIALON晶須為增韌相、以WC為基體相，β-SIALON晶須均勻分布在WC基體中；其組成為：80～99wt.％的WC，其余為1～20wt.％的β-SIALON晶須，及不可避免的雜質。

優選的，所述β-SIALON晶須所占的質量百分比為5～15％，所述WC所占的質量百分比為85～95％，所述β-SIALON晶須的直徑為0.1～1μm，長度為1～5μm，晶須長徑比為1～50。

優選的，所述β-SIALON晶須由Si源與Al源在燒結過程中原位反應生成；

更優選的，所述原位反應發生在N₂氣氛下，Si源粉末與Al源粉末充分混合后在反應溫度≥1500℃時，形成原位自生β-SIALON晶須。