原位自生納米Al₂O₃增韌WC-Ni3Al復合材料及其制備方法

原位自生納米Al₂O₃增韌WC-Ni3Al復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于合金材料技術領域，公開了一種原位自生納米Al2O3增韌WC?Ni3Al復合材料及其制備方法。所述方法為：將Ni、Al、Cr、Mo、Zr、B原料粉末按質量比配料，置于球磨機中干式球磨，制得Ni3Al金屬間化合物粉末；然后將其與WC粉末置于溶劑中進行濕式球磨，制得混合漿料，混合漿料烘干至溶劑殘余量≤1％，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸≤250μm的混合粉末；采用放電等離子燒結技術對上述混合粉末進行燒結，得到產物。本發明采用原位自生法在WC基體中引入納米Al2O3，并用Ni3Al金屬間化合物替代Co增韌增強WC復合材料，具有成本低、力學性能優的特點。
【專利說明】
原位自生納米A1203増韌WC-N i 3AI復合材料及其制備方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于合金材料技術領域，具體涉及一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]純WC-Co硬質合金由于在高溫下的硬度和強度均會劇烈下降，作為刀具材料，在高切削速度下的使用將會受到限制，另外還很有可能會使合金的耐磨性下降，特別是在高溫下的氧化和耐腐蝕性能差等，均會使得WC硬質合金容易出現過快失效，從而限制了 WC硬質合金的應用范圍。為此，各研究者為了拓寬WC類材料的應用范圍而做出的努力，最終提出了以金屬間化合物Ni3Al替代Co增韌WC基復合材料的設想，并分析了其可行性。
[0003]中國專利200910039671.8公開了一種WC-增韌增強Ni3Al硬質合金及其制備方法，該方法是利用放電等離子燒結技術制備WC-M3A1復合材料，獲得的復合材料有著良好的韌性和高溫性能。在一般陶瓷材料中，通過外加納米顆粒對材料進行強韌化處理，可以有效地提高材料的強度和韌性，但是這種外加納米顆粒的方法往往存在著顆粒容易團聚，難以分散等問題，使得其可操作性大大降低。本專利提出了一種原位自生納米Al2O3協同粘結相Ni3Al增韌的碳化鎢復合材料及制備方法。這種原位生成的方法不僅可增韌陶瓷基體，而且可以很好地解決通常外加納米顆粒時遇到的顆粒容易團聚，難以分散等問題。

【發明內容】

[0004]本發明的首要目的在于提供一種原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復合材料的制備方法。
[0005]本發明的另一目的在于提供一種通過上述方法制備得到的原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料。
[0006]本發明目的通過以下技術方案實現:
[0007]—種原位自生納米Al2O3增韌WC_Ni3Al復合材料的制備方法，包括以下制備步驟:
[0008](I)機械合金化制備Ni3Al粉末:按以下質量百分比的原料粉末配料:Ni 79.52?82.57%、A1 8.0?8.14%、Cr 5.23?7.83%、Mo 1.43?7.02%、Zr O?1.70%、B 0.005?
0.01%,其余為不可避免的微量雜質;將上述原料粉末置于球磨機中干式球磨，制得顆粒尺寸彡250μπι的Ni3Al金屬間化合物粉末；
[0009](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末與WC粉末置于溶劑中進行濕式球磨，制得混合漿料，然后將上述混合漿料烘干至溶劑殘余量< I %，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250μπι的混合粉末；
[0010](3)采用放電等離子燒結技術對上述混合粉末進行燒結，得到所述原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料。
[0011]優選地，步驟(I)中所述N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末純度彡99.9%,粒度為I?3μπι，B粉末為純度多99.0 %的無定形高純硼粉。
[0012]所述干式球磨的條件優選為:球磨材質采用WC硬質合金，球料比為10:1，轉速266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。
[0013]優選地，步驟(2)中所述Ni3A1金屬間化合物粉末與WC粉末的質量比為(6?14):(86 ?94)。
[0014]所述WC粉末優選純度彡99.9%、粒度為2?8μπι的WC粉末。
[0015]所述的溶劑優選乙醇或水。
[0016]所述濕式球磨的條件優選為:磨球材質為WC-Co硬質合金，球料比為5:1，轉速180r/mino
[0017]優選地，步驟(3)中所述放電等離子燒結的條件如下:
[0018]燒結電流類型為直流脈沖電流，
[0019]燒結壓力:30?70MPa，
[0020]燒結升溫速率:50?300 °C/min，
[0021]燒結溫度:1200?1400°C，
[0022]燒結保溫時間:0?20min，
[0023]燒結真空度:彡6Pa。
[0024]—種原位自生納米AI2O3增韌WC-Ni3Al復合材料，通過上述方法制備得到；上述復合材料中，所含原位自生納米氧化鋁的質量百分含量為I?7%，鎳三鋁的質量百分含量為2?15%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質相。
[0025]本發明的制備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果:
[0026](I)本發明制備的WC復合材料是一種由原位自生納米氧化鋁增韌的復合材料，其粘結相為Ni3Al金屬間化合物，通過合理添加多種合金元素使其具有優良的硬度、耐磨性和高溫力學性能。其中，添加鉻元素可以減小環境脆化和高溫氧化脆性;添加鉬元素可以增加高溫強度;添加鋯元素可以減少凝固收縮和宏觀空洞;添加硼元素則可改善室溫延展性。燒結過程中，粉末中不可避免的氧元素與WC中的碳元素發生反應形成CO析出，導致局部缺碳，進而促進η相(Ni2W4C、M6C)的產生，剩余的鋁元素則更容易與氧元素發生反應，最終形成自生的納米氧化鋁，與粘結相Ni3Al同時增韌增強WC復合材料。
[0027](2)本發明制備的WC復合材料利用Ni 3A1金屬間化合物替代Co，與傳統WC-Co硬質合金相比，它不僅可以降低成本，還可以節約稀缺而且具戰略性的Co資源。
[0028](3)本發明的制備方法采用了原位自生法在WC基體中引入納米Al2O3,充分利用了不可避免的氧元素以及M3A1氧化的特點。在初始材料粉末的準備中，只需將預制備的Ni3Al粉末和WC粉末充分均勻混合即可以在隨后的燒結過程中在WC晶間生成均勻分布的納米A1203。為此本發明不但很好地利用了氧元素的負面作用，而且也解決了外加納米顆粒時遇到的顆粒容易團聚，難以分散等問題。
【附圖說明】
[0029]圖1為實施例1所得原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料的SEM圖((a):放大倍數為20000倍，(b)放大倍數為40000倍)。
【具體實施方式】
[0030]下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0031]實施例1
[0032](I)機械合金化制備Ni3A1粉末:按以下質量百分比的原料粉末配料:Ni 81.1%,Al 8.0%Xr 7.7%、Μο 1.43%、Zr 1.70%、Β 0.008%，其余為不可避免的微量雜質，其中N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末純度彡99.9%、粒度l?3μm，B粉末純度彡99.0%，為無定形的高純硼粉;將上述原料粉末置于行星式球磨機中進行高能球磨，球磨材質采用WC硬質合金，球料比為10:1，轉速266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨30小時制得顆粒尺寸彡250μπι的Ni 3Α1金屬間化合物粉末；
[0033](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末10%與WC粉末(WC粉末純度彡99.9%、粒度2?8μπι)90%按質量比置于乙醇中進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確與磨球材質為WC-Co硬質合金，球料比為5:1，在轉速180r/min工況下，球磨30小時制得混合楽料，然后將上述混合漿料置于干燥爐內烘干至溶劑殘余量<1%，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0034](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結模具中進行放電等離子一步燒結，燒結電流類型為直流脈沖電流，其中燒結壓力為30MPa，燒結溫度為1400 0C，升溫速率為100 0C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料。
[0035]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC_Ni3Al復合材料的SEM圖像((a):放大倍數為20000倍，(b)放大倍數為40000倍)如圖1所示，圖中有黑色點狀相和灰色塊狀相兩種，其中黑色相為納米氧化鋁，WC相呈板條狀。經計算，圖中含原位自生納米Al2O3的質量百分比約為7.0 %。上述原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料，其硬度為HV1Q 19.59GPa，斷裂韌性為 11.86MPa.m1/2。
[0036]實施例2
[0037]步驟(I)和(2)同實施例1;
[0038](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結模具中進行放電等離子一步燒結，燒結電流類型為直流脈沖電流，其中燒結壓力為30MPa，燒結溫度為1200 0C，升溫速率為100 0C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料。
[0039]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復合材料含原位自生納米氧化鋁的質量百分比約為6.5%，其硬度為HViq 20.44GPa，斷裂韌性為9.30MPa.πιν2。
[0040]實施例3
[0041]步驟(I)同實施例1;
[0042](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末6%與WC粉末(WC粉末純度彡99.9%、粒度2?8μπι)94%按質量比置于乙醇中進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確與磨球材質為WC-Co硬質合金，球料比為5:1，在轉速180r/min工況下，球磨30小時制得混合漿料，然后將上述混合漿料置于干燥爐內烘干至溶劑殘余量彡I %，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸彡250μπι的混合粉末；
[0043](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結模具中進行放電等離子一步燒結，燒結電流類型為直流脈沖電流，其中燒結壓力為30MPa，燒結溫度為1400 °C，升溫速率為100 °C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料。
[0044]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復合材料含原位自生納米氧化鋁的質量百分比約為3.1%，其硬度為HViq 20.45GPa，斷裂韌性為10.35MPa.πιν2。
[0045]實施例4
[0046]步驟(I)同實施例1;
[0047](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末14%與WC粉末(WC粉末純度彡99.9%、粒度2?8μπι)86%按質量比置于乙醇中進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確與磨球材質為WC-Co硬質合金，球料比為5:1，在轉速180r/min工況下，球磨30小時制得混合楽料，然后將上述混合漿料置于干燥爐內烘干至溶劑殘余量<1%，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0048](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結模具中進行放電等離子一步燒結，燒結電流類型為直流脈沖電流，其中燒結壓力為30MPa，燒結溫度為1400 0C，升溫速率為100 0C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料。
[0049]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復合材料含原位自生納米氧化鋁的質量百分比約為6.9%，其硬度為HViq 18.23GPa，斷裂韌性為11.54MPa.πιν2。
[0050]實施例5
[0051 ] (I)機械合金化制備Ni3Α1粉末:按以下質量百分比的原料粉末配料:Ni 79.52%,Al 8.1% Xr 5.23%、Mo 7.02%^Zr 0.13%^B 0.005%，其余為不可避免的微量雜質，其中N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末純度彡99.9%、粒度I?3μπι，Β粉末純度彡99.0%，為無定形的高純硼粉;將上述原料粉末置于行星式球磨機中進行高能球磨，球磨材質采用WC硬質合金，球料比為10:1，轉速266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨30小時制得顆粒尺寸<250μm的Ni3Al金屬間化合物粉末；
[0052](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末10%與WC粉末(WC粉末純度彡99.9%、粒度2?8μπι)90%按質量比置于乙醇中進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確與磨球材質為WC-Co硬質合金，球料比為5:1，在轉速180r/min工況下，球磨30小時制得混合楽料，然后將上述混合漿料置于干燥爐內烘干至溶劑殘余量<1%，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0053](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結模具中進行放電等離子一步燒結，燒結電流類型為直流脈沖電流，其中燒結壓力為30MPa，燒結溫度為1400 0C，升溫速率為100 0C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料。
[0054]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC_Ni3Al復合材料含原位自生納米氧化鋁的質量百分比約為5.2%，其硬度為HViq 20.53GPa，斷裂韌性為10.52MPa.πιν2。
[0055]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復合材料的制備方法，其特征在于包括以下制備步驟: (1)機械合金化制備Ni3A1粉末:按以下質量百分比的原料粉末配料:Ni79.52?82.57%、A1 8.0?8.14%、Cr 5.23?7.83%、Mo 1.43?7.02%、Zr O?1.70%、B 0.005?0.01%,其余為不可避免的微量雜質;將上述原料粉末置于球磨機中干式球磨，制得顆粒尺寸彡250μπι的Ni3Al金屬間化合物粉末； (2)將上述M3A1金屬間化合物粉末與WC粉末置于溶劑中進行濕式球磨，制得混合漿料，然后將上述混合漿料烘干至溶劑殘余量<1%，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸<250μπι的混合粉末； (3)采用放電等離子燒結技術對上述混合粉末進行燒結，得到所述原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料。2.根據權利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末純度彡99.9%,粒度為I?3μπι，B粉末為純度彡99.0%的無定形高純硼粉。3.根據權利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料的制備方法，其特征在于所述干式球磨的條件為:球磨材質采用WC硬質合金，球料比為10:1，轉速266r/min，并采用高純Ar氣作為保護氣氛。4.根據權利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中所述Ni 3A1金屬間化合物粉末與WC粉末的質量比為(6?14):(86?94)。5.根據權利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料的制備方法，其特征在于:所述WC粉末是指純度彡99.9%、粒度為2?8μπι的WC粉末。6.根據權利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料的制備方法，其特征在于:所述的溶劑是指乙醇或水。7.根據權利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料的制備方法，其特征在于所述濕式球磨的條件為:磨球材質為WC-Co硬質合金，球料比為5:1，轉速180r/min。8.根據權利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復合材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述放電等離子燒結的條件如下: 燒結電流類型為直流脈沖電流， 燒結壓力:3O?7OMPa, 燒結升溫速率:50?300 0C/min， 燒結溫度:1200?1400 °C， 燒結保溫時間:0?20min， 燒結真空度:彡6Pa。9.一種原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復合材料，其特征在于:通過權利要求1?8任一項所述的方法制備得到;所述復合材料中，所含原位自生納米氧化鋁的質量百分含量為I?7%，鎳三鋁的質量百分含量為2?15%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質相。
【文檔編號】C22C29/02GK105907997SQ201610390754
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】李小強, 張民愛, 屈盛官, 夏曉建, 梁良
【申請人】華南理工大學