專利名稱：一種高性能WC/MgO納米復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬復合納米材料制備領域，特別是涉及一種高性能WC/MgO納米復合材料的 制備方法。
技術背景碳化鎢(WC)與其他復合陶瓷以及難熔金屬相比，具有高硬度， 一定的塑性和與熔 化金屬有好的濕潤性等一系列優(yōu)良的物理力學性能，廣泛應用于冶金、機械等部門，在 現(xiàn)代工業(yè)中占有十分重要的地位。鑒于鈷(Co)對WC有良好的濕潤性能，并且WC在Co 中有一定的溶解度，所以多年來Co—直是復合陶瓷最主要的粘結劑。但是Co是一種貴 重而稀有、具有重要戰(zhàn)略意義的資源，中國Co礦資源貧乏，而且分布分散，品位低， 開采成本高。目前我國每年需要進口大量的Co礦。從2001年進口 Co精礦2900多噸增 加到2002年前9個月的3854噸，使國際Co價上揚20%左右。作為資源消費大國，大 量地利用外部資源會導致國際市場資源價格的上升，同時也對自身的需求造成巨大的市 場和價格風險，所以尋找Co的代替品，降低合金成本，已經(jīng)引起廣大科研工作者的廣 泛關注。同時，以Co作為粘結劑的復合陶瓷，其抗腐蝕性能較差，在某些惡劣條件下 使用時，工件很快被腐蝕，壽命縮短，難以滿足對工件的使用要求，雖然氧化鎂(Mg0) 韌性略差于Co，但價格與Co相比便宜很多，更重要的是耐腐蝕性，耐高溫性以及熱穩(wěn) 定性好，可以滿足惡劣條件下的要求。所以用MgO代替貴金屬Co具有一定的實用意義。傳統(tǒng)的復合材料，其硬度和韌性是一對相互制約的矛盾體，在硬度提高的情況下， 會犧牲韌性；韌性提高，則硬度下降。而研究發(fā)現(xiàn)，當WC-Co晶粒降到lum以下時， 復合陶瓷的硬度和強度可同時提高，當晶粒結構尺寸減少到5nm時，合金的性能會發(fā)生 突變。研究發(fā)現(xiàn)如果WC-Co復合陶瓷的晶粒尺寸達到納米尺寸級別時，將具有更高的硬 度、耐磨性和疲勞強度，所以制備納米復合粉體是制備高性能復合材料的前提。納米材料比表面大的優(yōu)點使得它們與塊體材料相比，其表面排列的原子數(shù)目與內部 原子數(shù)目之比明顯增加。由于表面原子的鍵合狀態(tài)與內部原子不同，鍵態(tài)失配，因而出 現(xiàn)非化學平衡，使納米材料的化學活性增強。在WC和MgO的機械合金化過程中，正是 基于納米材料的強化學活性才導致發(fā)生機械固態(tài)相還原反應，從而形成WC/Mg0納米復 合粉末。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種高性能WC/Mg0納米復合材料的制備方法，該方法工藝簡單、技術參數(shù)可控性強、成本低、投資少、產率高，制備的粉末晶粒尺寸細小，具有較 高的硬度和韌性，是一種綜合性能良好的新型合金，其性能與超細WC/C0復合陶瓷相當， MgO成功的代替了稀貴金屬Co，適合工業(yè)化生產。本發(fā)明的一種高性能WC/MgO納米復合材料的制備方法，包括以下步驟(1) 將l一5um微米級的WC和Mg0按不同的比例混合，裝入球磨罐中；(2) 加入質量百分比為0.5-2%的硬脂酸以防止粉末粘結在罐壁和磨球上，提高粉末 的出料率；(3) 球料比4:1-10:1;(4) 將球磨罐密封，并抽真空，然后充入惰性氣體；(5) 將球磨罐安裝到球磨機上，并蓋好外罩，在100-500r/min轉速下連續(xù)球磨0-70 小時，得到WC/MgO納米復合粉末；(6) 將得到的WC/MgO納米復合粉末在真空干燥箱中干燥后裝入模具，冷壓成型；(7) 然后將壓坯放進放電等離子體燒結設備中進行燒結，在燒結溫度和燒結壓力下保 溫3—5分鐘，得到超細WC/MgO納米復合粉末.所述步驟(3)中的惰性氣體為氬氣。所述步驟(4)中的WC/MgO納米復合粉末其粒徑在l-150nm。所述步驟(6)中的燒結溫度為為1510 — 1530 °C，升溫速度為80-100 。C/min，燒 結壓力為48—52Mpa。將得到超細WC/Mg0納米復合粉末并對其進行SEM、 TEM等測試，分別見圖1、 2、 3、 4、 5。本發(fā)明硬脂酸的加入主要是抑制反應物組元間的過分冷焊，降低粉末顆粒的粘結， 明顯提高出粉率，改善合金粉末的均勻性；而且硬脂酸能降低粉末顆粒發(fā)生斷裂所需要 的能量，更有利于粒子的細化。


圖1為WC和MgO混合粉末的原始SEM照片。圖2為球磨的不同時間段，粉末的物相組成(電子衍射XRD圖)。圖3為球磨50h后，超細WC/Mg0納米復合粉末的SEM照片。圖4為球磨50h后，超細WC/Mg0納米復合粉末的TEM照片。圖5為球磨50h后，超細WC/Mg0納米復合粉末的TEM照片。圖6為超細WC/Mg0納米復合粉末經(jīng)放電等離子體燒結后的SEM照片。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的闡述，應理解，這些實施例僅用于說明本 發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領 域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價同樣落于本申請所附權利要求書 所限定的范圍。實施例1將0. lmol粒徑為1 u m的WC和0. lmol粒徑為5 ix m的MgO粉末混合，并裝入球磨 罐中；加入質量百分比為3%的硬脂酸；按10: l的球料比裝入磨球；將球磨罐密封， 并抽真空，然后充入氬氣；將球磨罐安裝到行星球磨機上，并蓋好外罩，在250r/min 下連續(xù)球磨50小時，得到粉末粒徑為80nm的WC/MgO納米復合粉末；將得到的WC/MgO 納米復合粉末在真空干燥箱中干燥后裝入模具，冷壓成型；然后將壓坯放進放電等離子 燒結設備中進行燒結，其燒結制度為燒結溫度151(TC，升溫速度為8(TC/min，燒結 壓力為48MPa，在燒結溫度和燒結壓力下保溫3分鐘，即可制得超細沐C/MgO納米復合粉 末，并對其進行SEM、 TEM及性能測試。實施例2將0. 3mo1粒徑為3 u m的WC和0. 5mo1粒徑為4 u m的MgO粉末混合，并裝入球磨 罐中并裝入球磨罐中；加入質量百分比為0.5%的硬脂酸；按6:1的球料比裝入磨球； 將球磨罐密封，并抽真空，然后充入氬氣；將球磨罐安裝到行星球磨機上，并蓋好外罩， 在500r/min下連續(xù)球磨70小時，得到粉末粒徑為150nm的WC/MgO納米復合粉末；將 得到的WC/Mg0納米復合粉末在真空干燥箱中干燥后裝入模具，冷壓成型；然后將壓坯 放進放電等離子燒結設備中進行燒結，其燒結制度為燒結溫度153(TC，升溫速度為 10(TC/min，燒結壓力為49MPa，在燒結溫度和燒結壓力下保溫4分鐘，即可制得超細 WC/MgO納米復合粉末，并對其進行SEM、 TEM及性能測試。實施例3將0. lmol粒徑為5 u m的WC和0. 3mo1粒徑為1 u m的MgO粉末混合，并裝入球磨 罐中；加入質量百分比為2%的硬脂酸；按8:1的球料比裝入磨球；將球磨罐密封，并 抽真空，然后充入氬氣；將球磨罐安裝到行星球磨機上，并蓋好外罩，在450r/min下 連續(xù)球磨62小時，得到粉末粒徑為150nm的WC/MgO納米復合粉末；將得到的WC/MgO 納米復合粉末在真空干燥箱中干燥后裝入模具，冷壓成型；然后將壓坯放進放電等離子 燒結設備中進行燒結，其燒結制度為燒結溫度1520 °C,升溫速度為90 'C/min，燒結壓力為52MPa，在燒結溫度和燒結壓力下保溫5分鐘，即可制得超細WC/MgO納米復合 粉末，并對其進行SEM、 TEM及性能測試。
權利要求
1.一種高性能WC/MgO納米復合材料的制備方法，包括以下步驟(1)將1-5μm微米級的WC和MgO按質量比4∶1-20∶1的比例混合，裝入球磨罐中；(2)加入質量百分比為0.5-2％的硬脂酸；(3)球料比4∶1-10∶1；(4)將球磨罐密封，并抽真空，然后充入惰性氣體；(5)將球磨罐安裝到球磨機上，并蓋好外罩，在100-500r/min轉速下連續(xù)球磨0-70小時，得到粒徑1-150nmWC/MgO納米復合粉末；(6)將得到的WC/MgO納米復合粉末在真空干燥箱中干燥后裝入模具，冷壓成型；(7)將壓坯放進放電等離子燒結設備中進行燒結，在燒結溫度和燒結壓力下保溫3-5分鐘，得到WC/MgO納米復合粉末。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種高性能WC/Mg0納米復合材料的制備方法，其特征在于， 所述步驟(7)中的燒結溫度為1510—1530 。C，升溫速度為80-100 。C/min，燒竿壓 力為48 — 52Mpa。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種高性能超細WC/Mg0納米復合材料的制備方法，其特征在 于，所述步驟(4)中的惰性氣體為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高性能WC/MgO復合材料的制備方法，包括(1)將1-5μm微米級的WC和MgO按質量比4∶1-20∶1的比例混合；(2)加入質量百分比為0.5-5％的硬脂酸以防止粉末粘結在罐壁和磨球上，提高粉末的出料率；(3)球料比4∶1-10∶1；(4)將球磨罐抽真空，并充入惰性氣體；(5)在100-500r/min轉速下連續(xù)球磨0-70小時，得到WC/MgO納米復合粉末；(6)干燥冷壓成型；(7)將壓坯放進放電等離子體燒結設備燒結，保溫3-5分鐘。該方法工藝簡單、成本低、投資少、產率高，制備的粉末晶粒尺寸細小，具有較高的硬度和韌性，其性能與WC/CO復合陶瓷相當，MgO成功的代替了稀貴金屬Co，適合工業(yè)化生產。
文檔編號C04B35/56GK101229976SQ20071017273
公開日2008年7月30日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權日2007年12月21日
發(fā)明者季誠昌, 張梅琳, 朱世根, 平 狄 申請人:東華大學