專利名稱：無粘結相超細純碳化鎢的燒結方法
技術領域：
本發明涉及一種碳化鎢的燒結方法，具體是一種無粘結相超細純碳化鎢的燒結方法。用于粉末冶金及與硬質材料應用領域。
背景技術：
碳化鎢(WC)是最常用的硬質材料。由于WC的熔點高達3048K，通常以WC-Co等燒結硬質合金的方式被生產利用，Co等起著粘結作用。Co等粘結相的添加不僅降低了材料的硬度，耐腐蝕性和耐氧化性，也使得生產過程復雜化，并且由于與WC的熱膨脹系數的差異而容易引起熱應力。此外，通常加工鋼件時，由于低熔點粘結相Co的存在切屑容易粘在刀具上影響刀具的使用效果，而細小的晶粒尺寸有利于提高硬質材料的性能。常規燒結方式需要部分液相，一些WC晶粒向液相中溶解，然后在另一些晶粒上析出，使后者長大。原始WC粉末的顆粒越細，WC在液相中的溶解度和溶解速度越大，燒結時的長大越嚴重，而且常規燒結方式處理時間過長，很難獲得超細硬質材料。近年出現的SPS放電等離子燒結技術(以下簡稱SPS技術)通過將特殊電源控制裝置發生的ON-OFF直流脈沖電壓印加到壓粉體試料，除了通常放電加工所引起的燒結促進作用(放電沖擊壓力和焦爾加熱)外，還有效利用脈沖放電初期粉體間產生的火花放電現象(瞬間產生高溫等離子體)所引起的燒結促進作用。
經對現有技術文獻的檢索發現，Seung I.Cha等人在《Materials Science andEngineering A》356(2003)381-389上發表的“Microstructures of binderlesstungsten carbides sintered by spark plasma sintering process”(Seng I.Cha等，“利用SPS技術燒結的無粘結相碳化鎢的顯微組織”，材料科學與工程A，2003年356卷381-389頁)一文，該文利用SPS技術對于純碳化鎢燒結，通過降低燒結溫度(1700℃以下)和縮短燒結時間，抑制了晶粒異常長大，但原始粉末粒徑越細，燒結致密度越低，WC粒徑細的材料孔隙較多，且WC平均粒徑沒有達到超細(500nm以下)的程度。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種無粘結相超細純碳化鎢的燒結方法，使其采用SPS技術直接燒結無粘結相超細純碳化鎢材料，從而克服現有硬質材料的缺點，形成一種工藝簡單，成本低廉，生產周期短，性能優越的硬質材料的制備方法。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明以經過真空或惰性氣體保存的無粘結相的超細純WC粉為原材料，將原材料粉在電極用高強度石墨模具中壓實后，連同模具一起置于SPS放電等離子燒結裝置的上下電極之間，抽取真空使真空度達到5Pa以上后通電以平均約180℃/min的速度升溫并在石墨模具的承受極限范圍內加壓，達到燒結溫度1400-1600℃后保溫0-8分鐘，斷電冷卻后取出試料。
加壓方式可以有幾種一種是與升溫同步異壓，即與升溫同時開始異壓，達到燒結溫度時壓力達到極限；另一種是始終保持同一壓力；也可以分段加壓，即加熱初期使用較低的恒定壓力，在收縮開始時迅速加壓至極限并一直保持。
經觀察、分析和測試，本發明獲得了原始顆粒粒徑基本保持的高密度(相對密度97-100％)，高硬度(2000-2700Hv和93-96.5HRA)和高斷裂韌性(8-15MPam1/2)的高性能超細純WC塊狀材料。
本發明利用阿基米德的浮力原理測定密度。維氏硬度的測定條件為載荷20Kg，加載持續時間15秒。采用壓痕法計算材料的斷裂韌性。本發明的原材料可采用各種粒徑的純WC粉，只是粒徑不同時最佳燒結條件及所得材料的性能有所差別(粒徑越細作為硬質材料的性能越好，但越難致密化燒結)，平均粒徑200nm是目前能夠得到的最細的純WC(粉)材料。即使是有粘結相的常用WC-Co，用常規燒結技術也很難得到平均粒徑達到200nm程度的超細塊狀材料。
本發明的關鍵在于放電等離子燒結技術的有效利用，其具有高速燒結、表面凈化作用以及粉體間的火花放電等特性，高速燒結克服了常規燒結時不能有效抑制燒結過程中的晶粒長大的缺點，電場的作用使粉體粒子表面容易活性化(表面凈化)，而“粉體間的火花放電”使得在需要粒間結合的部分能夠集中高能量脈沖(高溫等離子體)，是成功燒結無低融點粘結相的高融點純WC的決定性因素。
具體實施例方式
結合本發明的內容提供以下實施例
實施例1將平均粒徑約200nm的超細純WC粉約30g在內徑20mm的石墨模具中壓實后，連同模具一起置于SPS裝置的上下電極之間，抽取真空后通電以約160℃/min的速度升溫并分段加壓，達到燒結溫度1400℃后保溫4分鐘，斷電冷卻后取出試樣。掃描電鏡觀察的結果顯示燒結后的WC粒徑與原始粉末粒徑保持一致。經測定，該試樣的相對密度為97.1％，硬度約為2050Hv和94.1HRA，斷裂韌性約為15MPam1/2。。
實施例2將平均粒徑約200nm的超細純WC粉約13g在內徑15mm的石墨模具中壓實后，連同模具一起置于SPS裝置的上下電極之間，抽取真空后通電以約150℃/min的速度升溫并分段加壓，達到燒結溫度1450℃后保溫8分鐘，斷電冷卻后取出試樣。經測定，該試樣的相對密度為98％，硬度約為2700Hv和95HRA，斷裂韌性約為9MPam1/2。
實施例3將平均粒徑約200nm的超細純WC粉約35g在內徑20mm的石墨模具中壓實后，連同模具一起置于SPS裝置的上下電極之間，抽取真空后通電以約180℃/min的速度升溫并分段加壓，達到燒結溫度1430℃后保溫4分鐘，斷電冷卻后取出試樣。X線衍射試驗的結果表明該試樣仍由單一的WC相構成。掃描電鏡觀察的結果顯示燒結后的WC粒徑與原始粉末粒徑基本一致。經測定，該試樣的相對密度為98.1％，硬度約為2600Hv和96.1HRA，斷裂韌性約為11MPam1/2。
實施例4將平均粒徑約200nm的超細純WC粉約11g在內徑15mm的石墨模具中壓實后，裝入SPS裝置，抽取真空后通電以約150℃/min的速度升溫并分段加壓，達到燒結溫度1500℃后保溫4分鐘。X線衍射試驗的結果表明該試樣仍由單一的WC相構成。掃描電鏡觀察的結果顯示該試樣的WC粒徑比原始粉末粒徑有所長大，但不很明顯。經測定，該試樣的相對密度為99.6％，硬度約為2550Hv，斷裂韌性約為10MPam1/2。
實施例5將平均粒徑約200nm的超細純WC粉約13g在內徑15mm的石墨模具中壓實后，裝入SPS裝置，抽取真空后通電以約150℃/min的速度升溫并分段加壓，達到燒結溫度1600℃后保溫0分鐘。X線衍射試驗的結果表明該試樣仍由單一的WC相構成。經測定，該試樣的密度為15.6g/cm3(相對密度達100％)，硬度約為2600Hv，斷裂韌性約為10.5MPam1/2。
權利要求
1.一種無粘結相超細純碳化鎢的燒結方法，其特征在于，以經過真空或惰性氣體保存的無粘結相的超細純WC粉為原材料，將原材料粉在電極用高強度石墨模具中壓實后，連同模具一起置于SPS放電等離子燒結裝置的上下電極之間，抽取真空使真空度達到5Pa以上后通電升溫并在石墨模具的承受極限范圍內加壓，達到燒結溫度后保溫，斷電冷卻后取出試料，所述的真空度達到5Pa以上后通電以平均180℃/min的速度升溫，燒結溫度為1400-1600℃，保溫時間0-8分鐘。
2.如權利要求1所述的無粘結相超細純碳化鎢的燒結方法，其特征是，加壓方式有幾種一種是與升溫同步昇壓，即與升溫同時開始昇壓，達到燒結溫度時壓力達到極限；另一種是始終保持同一壓力；第三種是分段加壓，即加熱初期使用較低的恒定壓力，在收縮開始時迅速加壓至極限并一直保持。
全文摘要
一種無粘結相超細純碳化鎢的燒結方法，用于粉末冶金及與硬質材料應用領域。本發明以經過真空或惰性氣體保存的無粘結相的超細純WC粉為原材料，將原材料粉在電極用高強度石墨模具中壓實后，連同模具一起置于SPS放電等離子燒結裝置的上下電極之間，抽取真空使真空度達到5Pa以上后通電升溫并在石墨模具的承受極限范圍內加壓，達到燒結溫度后保溫，斷電冷卻后取出試料。真空度達到5Pa以上后通電以平均180℃/min的速度升溫，燒結溫度為1400－1600℃，保溫時間0－8分鐘。本發明采用SPS技術直接燒結無粘結相超細純碳化鎢材料，從而克服現有硬質材料的缺點，具有工藝簡單，成本低廉，生產周期短，得到性能優越的硬質材料。
文檔編號C01B31/00GK1609053SQ20041006802
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月11日 優先權日2004年11月11日
發明者黃斌, 陳立東 申請人:上海交通大學