[發明專利]一種高強韌無粘結相納米晶硬質合金的制備方法

有效

• 申請號: 202011063696.4
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112250442B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 秦明禮;吳昊陽;王倩玉;賈寶瑞;曲選輝
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C04B35/56
• 分類號: C04B35/56;C04B35/622;C04B35/64
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種高強韌無粘結相納米晶硬質合金的制備方法，屬于硬質合金材料技術領域。將鎢源、氧化劑、金屬硝酸鹽、有機燃料和可溶性有機碳源按照一定配比配制成混合溶液后，通過溶液燃燒合成法制得納米氧化鎢/其他金屬氧化物/碳復合前驅體粉末，再將前驅體粉末裝入模具進行預壓后直接置于放電等離子燒結爐中真空環境下進行還原?碳化和快速燒結反應，獲得添加金屬氧化物的無粘結相納米晶硬質合金。本發明制備的無粘結相納米晶硬質合金晶粒尺寸細小(100～200nm)、致密性好(相對密度≥98.5％)，還具有較高的硬度(2420～2895kg/mm²)、斷裂韌性(12.6～15.8MPa·m^1/2)和強度(1335～1527Mpa)，綜合性能佳。本發明原料成本低、簡化了工藝流程、縮短了生產周期、降低了生產成本，制備操作簡單。

技術領域

本發明屬于硬質合金材料技術領域，具體涉及設計一種高強韌無粘結相納米晶硬質合金的制備方法。

背景技術

納米晶硬質合金主要由硬質相碳化鎢(WC)和金屬粘結相組成，兼具高硬度、高強度、高耐磨性、高韌性、高熱導率及優良的抗熱震性、抗氧化性等性能，廣泛應用于航空航天、汽車工業、精密制造、電子工業、國防軍工等技術領域。然而，由于粘結相的熔點相對較低，導致硬質合金在高溫環境下的硬度明顯降低；此外，具有較低抗腐蝕和抗氧化性的粘結相，容易優先腐蝕而導致材料失效。無粘結相納米晶硬質合金由于缺乏金屬粘結相，具有比常規納米晶硬質合金更高的硬度、耐磨性和更優異的耐高溫性、耐腐蝕性、抗氧化性及紅硬性，在精密光學模具、特種耐磨材料、精密切割刀具及零件、拉拔模具等要求高精度、高拋光性、高抗變形性、高硬度和高耐腐蝕性環境領域具有極其獨特的優勢。

目前無粘結相納米晶硬質合金的研究和開發主要面臨著兩大瓶頸：一是硬質相WC具有較強的能量共價化學鍵、高熔點(2900℃)和低的自擴散系數，很難使合金致密化；二是WC晶粒的異常長大和亞碳化物W₂C的形成導致合金的彎曲強度和斷裂韌性不理想。近些年，研究者們通過機械球磨法在無粘結相納米晶硬質合金中加入少量金屬氧化物(MeO)作為第二相，顯著促進其致密化進程和提高其綜合力學性能。然而，這種制備方法存在周期長、制備工藝復雜、球磨混合過程中容易引入雜質以及金屬氧化物難以均勻分布等缺點，導致制備的燒結體的綜合力學性能不佳。

溶液燃燒合成(SCS)是一種簡單、快速、節能的材料制備方法，它利用反應物(氧化劑和還原劑)之間的自蔓延燃燒反應，在較低的溫度誘發下即能自發發生反應。燃燒反應過程中，放出的大量氣體和熱量使反應物能夠充分分散、達到分子水平的混合，所得產物成分均勻，極其適用于多組分氧化物納米粉體的制備。放電等離子燒結(SPS)是一種經濟、節能、高效、環保的燒結方式，具有升降溫速率快、保溫時間短、致密化程度高以及降低燒結溫度、改善微觀組織凈化顆粒表面等優點。基于以上考慮，本發明根據以上兩種方法的協同作用，提供一種通過溶液燃燒合成法制備納米氧化鎢/其他金屬氧化物/碳復合粉體，再通過SPS燒結技術直接合成添加金屬氧化物的無粘結相納米晶硬質合金的方法。該方法快速簡便、成本低、易于產業化，并且所制得的材料性能優異。目前為止，采用該方法制備無粘結相納米晶硬質合金方面的研究還未見有報道。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種高強韌無粘結相納米晶硬質合金的制備方法。該方法制備工藝簡單，可操控性強，成本低廉，容易實現規模化生產，制備的無粘結相納米晶硬質合致密性好，綜合力學性能好。

一種高強韌無粘結相納米晶硬質合金的制備方法，具體步驟：

(1)溶液配制：將鎢源、氧化劑、金屬硝酸鹽、有機燃料和可溶性有機碳源按照一定的比例稱重后置于燒杯中，加適量去離子水，用玻璃棒攬拌使各種原料充分溶解形成均勻混合水溶液；

(2)前驅體制備：將步驟(1)配置好的水溶液加熱發生燃燒反應，溶液揮發、濃縮，逐漸形成凝膠狀物，并伴隨著分解放出大量氣體，反應完成后得到蓬松的納米級氧化鎢/其他金屬氧化物/碳混合前驅體粉末；