一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法，包括：1)制備粒徑為0.2～0.4μm的碳化鎢粉末；2)碳化鎢粉末填入模具內；3)將高強鋼內芯壓入模具內；4)模具放入真空熱壓爐中，抽真空；用激光加熱器對模具內的碳化鎢粉末和高強鋼內芯進行加熱到1000～1100℃，保溫2h以上；在加熱的同時對模具施加均衡壓力，在擠壓、燒結作用下使碳化鎢粉末與高強鋼內芯復合為一體。本發明所述超微鉆頭復合材料外部采用超細晶粒的碳化鎢材料作為耐磨層，具有優越的硬度、耐磨性和斷裂強度；內部采用高強鋼高強鋼內芯，保證鉆頭整體的強度和斷裂韌性；可以代替現有一體式微鉆頭材料，減少稀有金屬的使用，降低生產成本，保護環境。
【專利說明】
一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及復合材料制備技術領域，尤其涉及一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法?！颈尘凹夹g】
[0002]隨著科學技術的飛速發展，電子消費品不斷向多功能化、小型化、輕量化、高密度和高可靠性的方向發展，對生產高密度、高集成、封裝化、微細化、多層化的印刷電路板(簡稱PCB)的要求日益增高，因而對于印制板數控鉆孔和微型鉆頭的研發遇到了越來越大的挑戰:PCB的層數越來越多，PCB微孔的直徑越來越小，相對應微孔的厚徑比也越來越大，布線密度越來越密，對PCB孔質量提出了更高和更嚴的要求，加工難度進一步增大。
[0003]鉆頭材料的性能對鉆孔質量有著非常重要的影響，又會影響到電鍍或其他后續的工序，因此決定了電路板的可靠性。通過系統分析，PCB微鉆頭的理想材質應具備“三高”的特性，即高耐磨性、高韌性和高熱導率，現在多采用晶粒微細化的高韌性硬質合金。
[0004]微鉆頭通常是由鈷鋼或細晶碳化鎢制成，碳化鎢(wc)是目前作為微鉆頭的應用比較廣泛的材料。近年來，碳化鎢工業取得的重大成就，碳化鎢微鉆頭在晶粒尺寸、硬度、耐磨性、斷裂強度和斷裂韌性等方面表現出優異的性能。在過去的10年間，碳化鎢的價格在國際原材料市場上極速增長，與此同時，微鉆頭的產量也在大幅度提高。微鉆頭主要的原材料鎢是一種稀有金屬，減少稀有金屬的消耗不僅對我國，而且對世界來說都是一個重要的挑戰。 為了消化原材料價格的漲幅并提升利潤，微鉆頭的制造商正在探尋新的原材料并致力于開發新的制造工藝。鑒于此，在減少使用稀有金屬以有效利用資源的基礎上，開發具有優異的綜合性能的復合微鉆頭有著重要意義。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法，外部采用超細晶粒的碳化鎢材料作為耐磨層，具有優越的硬度、耐磨性和斷裂強度；內部采用高強鋼高強鋼內芯，保證鉆頭整體的強度和斷裂韌性;本發明所述復合材料可以代替現有一體式微鉆頭材料，減少稀有金屬的使用，降低生產成本，保護環境。
[0006]為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案實現:
[0007]—種新型超微鉆頭復合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0008]1)將鎢粉放置在碳化爐內，加入鎢粉重量0.4%?0.6%的碳化釩與鎢粉混合均勾;通入以4.0?4.5:1體積比混合的(?和出的混合氣體，爐內升溫到1000?1300 °C后，保溫 lh以上，將鎢粉經氣相碳化制得含碳量5.0 %?6.0 %的碳化鎢粉末，碳化鎢粉末的粒徑為 0?2?0?4um;
[0009]2)制備好的碳化鎢粉末填入模具內，模具安裝在壓力機上；
[0010]3)制作圓柱形高強鋼內芯，表面打磨后涂抹增塑劑和潤滑劑，利用高精度計算機定位系統將高強鋼內芯放入壓力機中心，壓力機加壓使高強鋼內芯進入模具內，并處于模具中心位置；
[0011] 4)將裝有碳化鎢粉末和高強鋼內芯的模具放入真空熱壓爐中，抽真空，真空度0.8 ?1.2Xl(T4Pa;用激光加熱器對模具內的碳化鎢粉末和高強鋼內芯進行加熱，溫度為1000 ?1100°C，保溫2h以上;在加熱的同時對模具施加均衡壓力，在擠壓、燒結作用下使碳化鎢粉末與高強鋼內芯復合為一體。
[0012]所述燒結過程中通過設在模具上的熱電偶測量實時溫度。[0〇13]所述擠壓過程中，隨著擠壓速度的增加相應降低加熱溫度，擠壓速度每增加5%? 10%，溫度降低20°C?40°C。
[0014]所述增塑劑為機油或石蠟，潤滑劑為礦物油。
[0015]與現有技術相比，本發明的有益效果是:[〇〇16] 1)采用氣相法制備碳化鎢粉末，用CH4和鎢(W)粉為原材料，在014和出的混合氣氛下，將鎢粉經氣相碳化，制得碳化鎢粉末。通過加入適量的碳化釩(VC)，阻止碳化鎢晶粒的不均勻長大，獲得粒度均勻的細晶粒碳化鎢;其流程工藝簡單，原料利用率增高；
[0017] 2)采用具有優異機械性能、良好切割性能的細晶碳化鎢，配合具有良好強度和斷裂韌性的高強鋼內芯經高溫燒結、擠壓制成復合材料，具有優越的硬度、耐磨性和斷裂強度是用于制作新型微鉆頭的首選材料；
[0018] 3)本發明所述復合材料可以代替現有一體式微鉆頭材料，減少稀有金屬的使用， 降低生產成本，保護環境。
[0019] 4)能夠提高微鉆頭的使用壽命，適合工業化生產，提高生產效率?！靖綀D說明】
[0020]圖1是本發明所述碳化鎢粉末與高強鋼內芯復合后的結構示意圖。[0〇21 ]圖中:1.碳化媽粉末2.尚強鋼內芯【具體實施方式】[〇〇22]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明:
[0023] —種新型超微鉆頭復合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0024] 1)將鎢粉放置在碳化爐內，加入鎢粉重量0.4%?0.6%的碳化釩與鎢粉混合均勾;通入以4.0?4.5:1體積比混合的CH4和H2的混合氣體，爐內升溫到1000?1300 °C后，保溫 lh以上，將鎢粉經氣相碳化制得含碳量5.0 %?6.0 %的碳化鎢粉末，碳化鎢粉末的粒徑為 0?2?0?4um;[〇〇25] 2)制備好的碳化鎢粉末填入模具內，模具安裝在壓力機上；
[0026] 3)制作圓柱形高強鋼內芯，表面打磨后涂抹增塑劑和潤滑劑，利用高精度計算機定位系統將高強鋼內芯放入壓力機中心，壓力機加壓使高強鋼內芯進入模具內，并處于模具中心位置；
[0027] 4)將裝有碳化鎢粉末和高強鋼內芯的模具放入真空熱壓爐中，抽真空，真空度0.8 ?1.2Xl(T4Pa;用激光加熱器對模具內的碳化鎢粉末和高強鋼內芯進行加熱，溫度為1000 ?1100°C，保溫2h以上;在加熱的同時對模具施加均衡壓力，在擠壓、燒結作用下使碳化鎢粉末與高強鋼內芯復合為一體。
[0028]所述燒結過程中通過設在模具上的熱電偶測量實時溫度。
[0029]所述擠壓過程中，隨著擠壓速度的增加相應降低加熱溫度，擠壓速度每增加5%? 10%，溫度降低20°C?40°C。
[0030]所述增塑劑為機油或石蠟，潤滑劑為礦物油。
[0031]碳化鎢是硬質合金的基本組成物，幾乎所有的硬質合金生產廠家制備碳化鎢粉時，都是采用固體炭粉為原料，在H2氣氛保護下于碳管爐中經過高溫碳化反應后制得碳化鎢粉。使用固體炭粉生產碳化鎢粉的缺點是，炭粉和鎢粉不能充分接觸，導致碳化不完全， 影響合金質量;另外炭粉對環境污染較嚴重，工人勞動條件較差，勞動強度較高。
[0032]原材料的加工對獲得細小晶粒的碳化鎢非常重要。當碳含量低的時候，會生成一種金屬間復合物，會使產品的強度下降。相反地，當碳含量高時，會生成一種自由取向的碳， 也使產品強度下降。本發明采用氣相法制備WC粉末，用CH4和鎢粉為原材料，在014和出的混合氣氛下，將鎢粉經氣相碳化，制得碳化鎢粉末。加入少量碳化釩的作用是為了阻止生成的碳化鎢晶粒的不均勻生長，從而獲得粒度均勻的細晶碳化鎢粉末。
[0033]整個碳化鎢粉末制備過程都處于惰性氣體環境中，可以防止碳化鎢粉末的氧化， 控制碳化鎢粉末的含碳量，得到優異性能的原材料。[〇〇34]晶粒尺寸為0.2wii的碳化鎢已經被發現并被實際應用在微型鉆頭上，超細晶粒的碳化鎢有益于獲得良好的硬度、耐磨性和斷裂強度。對現在使用的一般的微鉆頭，通過細化晶粒尺寸從0.8到0.2wn，可以使斷裂強度由3.5GPa提高到4.0GPa，硬度由93.0HRa提高到 93.5HRa〇[〇〇35]制備本發明所述復合材料包含兩種結合機理:一種為機械作用機制，通過擠壓力作用使碳化鎢和高強鋼發生強烈的塑性變形，實現初步結合;第二種結合機理為擴散機制， 在高溫燒結過程中，擴散過程進行的較充分。
[0036]高溫燒結過程中，將會通過先進的激光加熱器對碳化鎢粉末和高強鋼內芯進行加熱。以確保溫度分布的均勻，如果在燒結過程中溫度分布不均勻，將會導致碳在合金中分布不均勻，導致制品性能變差。將原料加熱到1000?1100°c保溫2h以上，是為了使碳化鎢粉末和高強鋼顆粒互相結合起來，從而改變其性能。燒結能夠使碳化鎢顆粒與高強鋼表面發生黏結，借助顆粒間的聯結使燒結體強度增加。燒結體強度增大還體現在孔隙體積和孔隙總數的減少，以及孔隙形狀的變化上，高溫燒結之后原料孔隙逐漸收縮成閉孔，然后變圓。
[0037]復合材料的擠壓復合是通過熱擠壓實現的，在擠壓復合后的冷卻過程擴散不可避免，隨著擠壓溫度的升高，擴散過程比較充分，界面的結合強度也得到了不同程度的提高。
[0038]擠壓過程中的擠壓速度與加熱溫度是關聯的，隨著擠壓速度的提高必須降低加熱溫度。確定合適的擠壓速度，可保證產品性能優良。擠壓過程中需要加入少量潤滑劑，潤滑劑可以是添加某些填料的礦物油，提高金屬流動速度，防止產生組織、性能的不均勻性，降低擠壓力。
[0039]進行擠壓、燒結時，必須在真空環境下進行，由于粉末凝固的時候會發生脫碳現象，為了防止氧化，所有的加工過程都將在真空條件下進行。同時采用均衡的壓力對粉末和內芯進行擠壓，消除擠壓過程中會產生的氣孔。
[0040]在燒結、擠壓過程中碳化鎢和高強鋼在模具內原始表面破裂;表面擴展引起新鮮表面顯露;法向擠壓力將碳化鎢擠入高強鋼表面裂縫中；兩種金屬在間隙中匯合并形成真實結合。兩種材料原始接觸面在擠壓過程中破裂，使得純凈組織顯露，通過擠壓機強大的壓力將該潔凈表面壓制到接近原子間距范圍并形成真正的結合。[0041 ]直接擠壓、燒結的碳化鎢、高強鋼復合棒表面光潔，且外層碳化鎢厚度均勻。[〇〇42]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:1)將鎢粉放置在碳化爐內，加入鎢粉重量0.4 %?0.6 %的碳化釩與鎢粉混合均勻；通 入以4.0?4.5:1體積比混合的CH4和H2的混合氣體，爐內升溫到1000?1300 °C后，保溫lh以 上，將鎢粉經氣相碳化制得含碳量5.0 %?6.0 %的碳化鎢粉末，碳化鎢粉末的粒徑為0.2? 0.4ym；2)制備好的碳化鎢粉末填入模具內，模具安裝在壓力機上；3)制作圓柱形高強鋼內芯，表面打磨后涂抹增塑劑和潤滑劑，利用高精度計算機定位 系統將高強鋼內芯放入壓力機中心，壓力機加壓使高強鋼內芯進入模具內，并處于模具中 心位置；4)將裝有碳化鎢粉末和高強鋼內芯的模具放入真空熱壓爐中，抽真空，真空度0.8? 1.2 X l(T4Pa;用激光加熱器對模具內的碳化鎢粉末和高強鋼內芯進行加熱，溫度為1000? 1100°C，保溫2h以上;在加熱的同時對模具施加均衡壓力，在擠壓、燒結作用下使碳化鎢粉 末與高強鋼內芯復合為一體。2.根據權利要求1所述的一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法，其特征在于，所述燒 結過程中通過設在模具上的熱電偶測量實時溫度。3.根據權利要求1所述的一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法，其特征在于，所述擠 壓過程中，隨著擠壓速度的增加相應降低加熱溫度，擠壓速度每增加5%?10%，溫度降低 20°C?40°C。4.根據權利要求1所述的一種新型超微鉆頭復合材料的制備方法，其特征在于，所述增 塑劑為機油或石蠟，潤滑劑為礦物油。
【文檔編號】C04B35/56GK105967719SQ201610300252
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】張紅梅, 荊毅, 吳昊, 彭興東, 姜正義, 李娜, 趙大東, 廖桂兵, 邊迪
【申請人】遼寧科技大學