一种无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法

摘要

本发明公开了一种无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法，所述方法包括如下步骤：将氮化钨与碳黑进行球磨混合，制备W2N/C混合粉体；将制得的W2N/C混合粉体置于放电等离子烧结炉中进行烧结：先以10～500℃/min的速率升温到700～1000℃，保温1～20分钟后再加压至10～200MPa、并升温至1200～1800℃，保温1～20分钟，即得。本发明采用反应SPS烧结技术，大大降低了烧结温度，降低了原料成本和能耗，所制备的材料晶粒细小，致密度高，并具有良好的力学性能，且制备工艺简单、实用、可操控性强，容易实现规模化生产。

权利要求

1.一种无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a)将氮化钨与碳黑进行球磨混合，制备W2N/C混合粉体；氮化钨与碳黑的摩尔比为

1:2～1:3；球磨溶剂为乙醇，球磨介质为碳化钨球，球磨时间为6～48小时；

b)将步骤a)制得的W2N/C混合粉体置于放电等离子烧结炉中进行烧结：先以10～

500℃/min的速率升温到700～1000℃，保温1～20分钟后再加压至10～200MPa、并升温至1200～1800℃，保温1～20分钟，即得无粘结相纳米碳化钨硬质合金。

2.根据权利要求1所述的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤b)中的烧结气氛为真空或惰性气氛。

3.根据权利要求1所述的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤b)中的升温速率为50～200℃/min。

说明书

一种无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法，具体说，是涉及一种基于氮化物转化法的反应放电等离子体烧结技术制备无粘结相纳米碳化钨硬质合金的方法，属于硬质合金材料制备技术领域。

背景技术

[0002] 碳化钨基硬质合金具有硬度高、抗弯强度高和断裂韧性良好的特点，在现代工具材料、耐磨材料、耐高温和耐腐蚀材料等方面具有非常广泛的应用。最具有代表性的是其在很大程度上可以取代高速钢，从而引起了金属加工工业的技术革命，被誉为“工业的牙齿”。在硬质合金体系中，金属粘结相(如钴、镍)的加入能增加合金的韧性与强度，但不可避免地使其硬度和抗腐蚀性降低。在某些特定的使用场合下，如高压水刀切割用的喷嘴，硬度的降低限制了其应用。因此，为提高合金的硬度和耐磨性，往往通过减少组分中金属粘结相的含量，甚至不添加粘结相来实现。目前，关于无粘结相碳化钨硬质合金的研究日益受到国内外重视。

[0003] 提高无粘结相碳化钨硬质合金性能的有效途径是将材料的晶粒尺寸减小至亚微米甚至纳米尺度，其关键技术是超细粉体的制备及材料的烧结。传统硬质合金的生产流程一般为：仲钨酸铵(APT)经煅烧得到钨的氧化物，再经还原碳化得到WC，之后需经历配料、球磨、压制、脱蜡、高温烧结等步骤，可以看出该工艺不仅流程长，而且能耗大，多次反复的高温处理过程导致材料的晶粒尺度不易控制。目前国内外研制超细或纳米硬质合金材料仍然沿用上述传统的工艺，虽然在超细或纳米碳化钨粉末制备方面取得了较大的进展，但由于上述工艺烧结温度高、时间长，导致纳米碳化钨粉末在烧结过程中晶粒急剧长大，即使添加晶粒生长抑制剂，也不能完全避免晶粒长大。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的上述问题和不足，本发明的目的是提供一种制备工艺简单、实用，可操控性强，容易实现规模化生产，烧结温度低，材料晶粒细小，力学性能优良的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法。

[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种无粘结相纳米碳化钨硬质合金的制备方法，包括如下步骤：

[0007] a)将氮化钨与碳黑进行球磨混合，制备W2N/C混合粉体；

[0008] b)将步骤a)制得的W2N/C混合粉体置于放电等离子烧结炉中进行烧结：先以10～500℃/min的速率升温到700～1000℃，保温1～20分钟后再加压至10～200MPa、并升温至1200～1800℃，保温1～20分钟，即得无粘结相纳米碳化钨硬质合金。

[0009] 步骤a)中的氮化钨与碳黑的摩尔比优选为1∶2～1∶3。

[0010] 步骤a)中的球磨溶剂优选为乙醇。

[0011] 步骤a)中的球磨介质优选为碳化钨球。

[0012] 步骤a)中的球磨时间优选为6～48小时。

[0013] 步骤b)中的烧结气氛优选为真空或惰性气氛。

[0014] 步骤b)中的升温速率优选为50～200℃/min。

[0015] 步骤b)中的烧结压力优选为50～200MPa。

[0016] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0017] 1)采用反应SPS烧结技术，大大降低了烧结温度，降低了原料成本和能耗。

[0018] 2)所制备的材料晶粒细小，致密度高，并具有良好的力学性能。

[0019] 3)制备工艺简单、实用、可操控性强，容易实现规模化生产。

附图说明

[0020] 图1为实施例1制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金抛光面的SEM图。

[0021] 具体实施方法

[0022] 下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但并不限制本发明的内容。

[0023] 实施例1

[0024] 称取10mol氮化钨和25mol碳黑，以乙醇为溶剂、碳化钨球为球磨介质，于辊式球磨机上混合24小时，旋转蒸发，置于烘箱内干燥，过筛，得到W2N/C混合粉体；

[0025] 将过筛后的W2N/C混合粉体置于放电等离子烧结炉中进行烧结：在真空条件下，先以100℃/min的升温速率升至800℃，保温5分钟后再将压力增至90MPa，并升温至1250℃，保温3min后，即得到无粘结相纳米碳化钨硬质合金。

[0026] 图1是本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金抛光面的SEM图，由图1可见：制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为270nm，致密度高于98％。

[0027] 实施例2

[0028] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：称取10mol氮化钨和20mol碳黑为原料，二次升温至1450℃并保温5分钟。

[0029] 其余内容均同实施例1中所述。

[0030] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为410nm，致密度高于98％。

[0031] 实施例3

[0032] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：称取10mol氮化钨和30mol碳黑为原料，二次升温至1250℃并保温3分钟。

[0033] 其余内容均同实施例1中所述。

[0034] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为220nm，致密度高于98％。

[0035] 实施例4

[0036] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：球磨时间为6小时，二次升温至1500℃保温5分钟。

[0037] 其余内容均同实施例1中所述。

[0038] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为450nm，致密度高于98％。

[0039] 实施例5

[0040] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：球磨时间为48小时，二次升温至1250℃并保温5分钟。

[0041] 其余内容均同实施例1中所述。

[0042] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为250nm，致密度高于98％。

[0043] 实施例6

[0044] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：烧结气氛为氮气气氛，一次升温至900℃并保温10分钟。

[0045] 其余内容均同实施例1中所述。

[0046] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为300nm，致密度高于98％。

[0047] 实施例7

[0048] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：烧结气氛为氩气气氛，一次升温至900℃并保温15分钟。

[0049] 其余内容均同实施例1中所述。

[0050] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为320nm，致密度高于98％。

[0051] 实施例8

[0052] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：一次升温至1000℃保温1分钟。

[0053] 其余内容均同实施例1中所述。

[0054] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为320nm，致密度高于98％。

[0055] 实施例9

[0056] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：一次升温至700℃并保温20分钟。

[0057] 其余内容均同实施例1中所述。

[0058] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为220nm，致密度高于98％。

[0059] 实施例10

[0060] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：一次升温速率为10℃/min；二次升温至1500℃保温10min。

[0061] 其余内容均同实施例1中所述。

[0062] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为460nm，致密度高于98％。

[0063] 实施例11

[0064] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：一次升温速率为500℃/min；二次升温至1200℃保温10min。

[0065] 其余内容均同实施例1中所述。

[0066] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为210nm，致密度高于98％。

[0067] 实施例12

[0068] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：二次升温时所施加的压力为10MPa，二次升温至1800℃保温1min。

[0069] 其余内容均同实施例1中所述。

[0070] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为670nm，致密度高于98％。

[0071] 实施例13

[0072] 本实施例与实施例1的不同之处仅在于：二次升温时所施加的压力为200MPa，二次升温至1200℃保温20min。

[0073] 其余内容均同实施例1中所述。

[0074] 经检测分析得知：本实施例制得的无粘结相纳米碳化钨硬质合金的晶粒尺寸细小，平均粒径为200nm，致密度高于98％。

[0075] 综上所述，利用本发明方法制备的无粘结相纳米碳化钨硬质合金具有烧结温度低，耗时短；所制备的材料晶粒细小，致密度高，力学性能优良。