專利名稱：一種制備納米WC-Co硬質(zhì)合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備納米WC-Co硬質(zhì)合金的方法，屬硬質(zhì)合金制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米WC-Co硬質(zhì)合金，因其特殊的耐磨蝕、高硬度，以及優(yōu)異的斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科技的各個(gè)領(lǐng)域，已被制成加工集成電路板的微型鉆頭、點(diǎn)陣打印機(jī)打印針頭、整體孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙鉆、難加工材料刀具等。納米WC-Co硬質(zhì)合金性能的提高來(lái)源于晶粒的減小。晶粒越細(xì)，缺陷越少，抗彎強(qiáng)度和硬度就能保持較高值。燒結(jié)是對(duì)硬質(zhì)合金的組織和性能起著決定性影響的工序。燒結(jié)過(guò)程中將發(fā)生下列變化(1)燒結(jié)致密化；(2)碳化物晶粒長(zhǎng)大；(3)粘結(jié)相成分的改變和合金組織的形成等。納米WC-Co混合粉末的燒結(jié)好壞在于如何控制好(1)與(2)之間的平衡關(guān)系。納米WC-Co硬質(zhì)合金許多傳統(tǒng)的燒結(jié)方法已經(jīng)暴露出越來(lái)越多的弱點(diǎn)。因顆粒越小，曲率越大，致密化的驅(qū)動(dòng)力越高，但是粗化的驅(qū)動(dòng)力也越高。所以要抑制晶粒的長(zhǎng)大就必須控制溶解-析出過(guò)程。
晶粒長(zhǎng)大抑制劑的加入能降低WC粘結(jié)相溶解度，而使得WC晶粒的溶解-析出過(guò)程受到障礙，抑制了晶粒的粗化。故晶粒長(zhǎng)大抑制劑被認(rèn)為是抑制晶粒長(zhǎng)大較為理想的一種方法，目前常用的晶粒長(zhǎng)大抑制劑有TiC、VC、Cr3C2等。但過(guò)多的晶粒長(zhǎng)大抑制劑會(huì)導(dǎo)致碳化物在WC/Co晶界大量析出，增加了脆性、孔隙度，所以晶粒長(zhǎng)大抑制劑在應(yīng)用中有一定局限。

發(fā)明內(nèi)容
提高粉末表面活性和縮短燒結(jié)時(shí)間是一種有效的抑制晶粒長(zhǎng)大的方法。目前涉及硬質(zhì)合金快速燒結(jié)的技術(shù)主要有微波燒結(jié)、二階段燒結(jié)、快速熱等靜壓燒結(jié)、等離子活化燒結(jié)等。一般說(shuō)來(lái)，燒結(jié)時(shí)間仍要達(dá)到5-10分鐘。但研究結(jié)果均表明，縮短燒結(jié)時(shí)間有利于抑制晶粒的長(zhǎng)大。本發(fā)明從提高粉末表面活性的角度對(duì)納米WC-Co混合粉末進(jìn)行表面修飾，結(jié)合等離子活化燒結(jié)技術(shù)，達(dá)到進(jìn)一步抑制晶粒長(zhǎng)大的目的，從而制得結(jié)構(gòu)致密的納米WC-Co硬質(zhì)合金。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種制備納米WC-Co硬質(zhì)合金的方法。該方法具有燒結(jié)時(shí)間短，提高燒結(jié)產(chǎn)品致密度和硬度等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)采用下列技術(shù)方案使上述技術(shù)問題得到解決一種制備納米WC-Co硬質(zhì)合金的方法，其特征在于，通過(guò)配制WC-Co混合粉末，球磨，粉末的表面修飾和等離子活化燒結(jié)四步制得納米WC-Co硬質(zhì)合金，具體操作步驟第一步 配制WC-Co混合粉末選取平均顆粒度為200目的WC、Co粉末，按WC∶Co＝94wt％∶6wt％配比，配制WC-Co混合粉末；第二步 球磨將上步配制的混合粉末用球磨機(jī)在球磨轉(zhuǎn)速和球粉比分別為220rpm和10∶1-50∶1的條件下球磨20-60小時(shí)，得平均晶粒尺寸為20nm的納米WC-Co混合粉末；第三步 粉末的表面修飾將上步制得的納米WC-Co混合粉末置于濃度為1.0-4.0％的聚乙烯酸溶液中10-60分鐘，然后在60-120℃溫度下靜置1-8小時(shí)，進(jìn)行蒸發(fā)和干燥；第四步 等離子活化燒結(jié)將上步制得的干燥粉末裝入炭鑄模中，進(jìn)行等離子活化燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程中單軸壓力、溫度和時(shí)間分別為25Mpa、800-1250℃和2-4分鐘，獲得結(jié)構(gòu)致密的納米WC-Co硬質(zhì)合金。
與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列突出優(yōu)點(diǎn)Co是鐵磁性元素，在未修飾的情況下，具有互相團(tuán)聚的傾向，采用本發(fā)明所涉方法修飾后，這一現(xiàn)象得到大大的改善。由于粉末表面被極薄的碳膜包覆，改善了表面結(jié)構(gòu)，提高表面活性，有利于粉末的燒結(jié)，能明顯縮短燒結(jié)時(shí)間。由于燒結(jié)時(shí)間短，晶粒長(zhǎng)大得到有效抑制，因此，燒結(jié)產(chǎn)品晶粒細(xì)小，硬度高、韌性好。極少量的包覆物在120℃分解脫水，在280℃熱解開始，800℃熱解結(jié)束，本發(fā)明采用的燒結(jié)溫度為800-1250 ℃，這樣可以保證包覆物的全部分解。
SEM分析表明，本發(fā)明所涉方法制得的納米WC-Co硬質(zhì)合金的晶粒平均尺寸小，大部分晶粒尺寸小于150nm。
綜上，本發(fā)明有燒結(jié)時(shí)間短，易于操作、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量好主要指致密度高、硬度高和韌性好。


圖1是納米WC-Co混合粉末的X射線衍射圖譜。圖2是燒結(jié)后納米WC-Co硬質(zhì)合金的電鏡照片。
具體實(shí)施例實(shí)施例1取平均顆粒度為200目的WC、Co粉末，按WC∶Co＝94wt％∶6wt％配比，配制WC-Co混合粉末，用WC硬質(zhì)合金球在球磨罐中以轉(zhuǎn)速200rpm和球粉比15∶1，球磨55小時(shí)，從球磨罐中取出納米WC-Co混合粉末。然后按濃度為1.5％配制聚乙烯酸溶液，將納米WC-Co混合粉末浸置其中55分鐘。在60℃下干燥7小時(shí)。將上述步驟制得的粉末裝入炭鑄模中，進(jìn)行等離子活化燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程中保持恒定25MPa的單軸壓力，燒結(jié)溫度1250℃，燒結(jié)時(shí)間2分鐘，獲得結(jié)構(gòu)致密的納米WC-Co硬質(zhì)合金。該合金具有以下技術(shù)指標(biāo)密度14.7g/cm3，硬度(HV30)1890，斷裂韌性(Kic)17.8MPam。
實(shí)施例2取平均顆粒度為200目的WC、Co粉末，按WC∶Co＝94wt％∶6wt％配比，配制WC-Co混合粉末，用WC硬質(zhì)合金球在球磨罐中以轉(zhuǎn)速200rpm和球粉比30∶1，球磨40小時(shí)，從球磨罐中取出納米WC-Co混合粉末。然后按濃度為2.5％配制聚乙烯酸溶液，將納米WC-Co混合粉末浸置其中35分鐘。在90℃下干燥4小時(shí)。將上述步驟制得的粉末裝入炭鑄模中，進(jìn)行等離子活化燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程中保持恒定25MPa的單軸壓力，燒結(jié)溫度1000℃，燒結(jié)時(shí)間3分鐘，獲得結(jié)構(gòu)致密的納米WC-Co硬質(zhì)合金。
實(shí)施例3取平均顆粒度為200目的WC、Co粉末，按WC∶Co＝94wt％∶6wt％配比，配制WC-Co混合粉末，用WC硬質(zhì)合金球在球磨罐中以轉(zhuǎn)速200rpm和球粉比45∶1，球磨25小時(shí)，從球磨罐中取出納米WC-Co混合粉末。然后按濃度為3.5％配制聚乙烯酸溶液，將納米WC-Co粉末浸置其中15分鐘。在120℃下干燥1小時(shí)。將上述步驟制得的粉末裝入炭鑄模中，進(jìn)行等離子活化燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程中保持恒定25MPa的單軸壓力，燒結(jié)溫度800℃，燒結(jié)時(shí)間4分鐘，獲得結(jié)構(gòu)致密的納米WC-Co硬質(zhì)合金。
實(shí)施例4.實(shí)施例1制得的納米WC-Co混合粉末晶粒尺寸的測(cè)定以Si為標(biāo)樣，通過(guò)實(shí)施例1制得的納米WC-Co混合粉末的X射線衍射圖譜(圖1)的衍射峰的線形寬化分析，由謝樂公式L=0.89λβcosθ]]>(λ為CuKα輻射的波長(zhǎng)，θ為衍射角，β為經(jīng)校準(zhǔn)過(guò)的半高寬。便可計(jì)算出粉末的晶粒尺寸小于20nm。計(jì)算如下
λ＝0.15406nm，由Si(111)的X射線衍射峰半高寬和普線寬度校正曲線得校準(zhǔn)后半高寬β為0.4092°，代入謝樂公式得試樣的平均晶粒尺寸為L(zhǎng)=0.89×0.154060.4092/57.3×cos35.5=19.2nm.]]>
權(quán)利要求
1.一種制備納米WC-Co硬質(zhì)合金的方法，其特征在于，通過(guò)配制WC-Co混合粉末，球磨，粉末的表面修飾和等離子活化燒結(jié)四步制得納米WC-Co硬質(zhì)合金，具體操作步驟第一步配制WC-Co混合粉末選取平均顆粒度為200目的WC、Co粉末，按WC∶Co＝94wt％∶6wt％配比，配制WC-Co混合粉末；第二步球磨將上步配制的混合粉末用球磨機(jī)在球磨轉(zhuǎn)速和球粉比分別為220rpm和10∶1-50∶1的條件下球磨20-60小時(shí)，得平均晶粒尺寸為20nm的納米WC-Co混合粉末；第三步粉末的表面修飾將上步制得的納米WC-Co混合粉末置于濃度為1.0-4.0％的聚乙烯酸溶液中10-60分鐘，然后在60-120℃溫度下靜置1-8小時(shí)，進(jìn)行蒸發(fā)和干燥；第四步等離子活化燒結(jié)將上步制得的干燥粉末裝入炭鑄模中，進(jìn)行等離子活化燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程中單軸壓力、溫度和時(shí)間分別為25Mpa、800-1250℃和2-4分鐘，獲得結(jié)構(gòu)致密的納米WC-Co硬質(zhì)合金。
全文摘要
一種制備納米WC－Co硬質(zhì)合金的方法，屬硬質(zhì)合金制備技術(shù)領(lǐng)域，通過(guò)配制WC－Co混合粉末，球磨，粉末的表面修飾和等離子活化燒結(jié)四步制得納米WC－Co硬質(zhì)合金。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為，Co粉末采用本發(fā)明所涉方法修飾后，粉末表面被極薄的碳膜包覆，改善了表面結(jié)構(gòu)，提高表面活性，有利于粉末的燒結(jié)，能明顯縮短燒結(jié)時(shí)間，晶粒長(zhǎng)大得到有效抑制，燒結(jié)產(chǎn)品晶粒細(xì)小，硬度高、韌性好。本發(fā)明特別適于用來(lái)制備納米WC－Co硬質(zhì)合金。
文檔編號(hào)C22C29/06GK1544674SQ20031010885
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者馬學(xué)鳴 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)