[发明专利]一种新型WC基硬质合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型高性能WC基硬质合金材料及其制备方法，属于高技术结构陶瓷及其应用领域。

背景技术

随着人类对资源需求的不断增长，资源生产面临着作业成本不断上升以及必须解决在愈加困难的岩层中开辟新的储量等问题，苛刻的钻探条件对钻探机具的抵抗破裂和疲劳断裂的强度、韧性和耐磨性的要求越来越高，需要开发既具有高硬度又具有高强度的耐磨材料以及新部件、新机具，适应极端条件下的使用，要求低成本开发新型高硬度、高强度、高韧性和高耐磨的材料。

传统WC-Co硬质合金具有强度和硬度高、耐磨性好、红硬性好、热膨胀系数小、弹性模量高以及化学稳定性好等一系列优良性能；目前，在很多地质、资源领域中，硬质合金钻凿机具得到了广泛的应用。但是，钴是一种储量有限的战略资源且价格较高，传统硬质合金使用了大量的贵重战略资源Co，加剧了资源和环境的紧张局面，研究非Co硬质合金是本领域的一个重要方向，既具有重要经济价值，也具有战略意义。

由于金属Mo、Ni等在自然界中丰度高，且具有比Co更好的化学稳定性，以Mo、Ni等金属作为金属粘结相所获得的WC基硬质合金除具有硬质合金的常见优点外，还可望具有优良的抗氧化性能和耐腐蚀性能。但是，在实际制备过程中，由于金属Mo、Ni等的特殊晶体结构，它们在球磨过程中容易发生晶体的变形和团聚，从而在烧结时形成微孔，造成产品致密度差；必须采用合适的球磨工艺、烧结方法和烧结制度才能获得高性能的WC-Mo(Ni)硬质合金材料。同时，与WC-Co硬质合金相比，使用诸如Mo、Ni等做金属粘结剂时，容易发生WC晶粒的快速生长(疯长)；必须通过合理选择晶粒抑制剂的种类和添加比例，才能有效抑制WC晶粒疯长；从而提高材料的强度。

和WC-Co硬质合金一样，WC和诸如Mo、Ni等金属形成的硬质合金也是由硬质WC相和强韧金属相构成的，金属相含量增大材料强度和韧性增强却硬度减小；反之，金属相含量减小材料硬度虽然增大，材料强度和韧性将减小。为了既能使所得硬质合金具有较高的强度和韧性(必须加入较多的金属粘结剂)，同时具有较高的硬度，在硬质合金中掺入一定量的高硬材料如金刚石或立方氮化硼(c-BN)等是一种重要途径。但是，金刚石在高温烧结条件下容易发生氧化脱碳，如何保证其高温稳定性是重要课题。在WC-Co硬质合金中，由于Co在高温下与c-BN的强烈化学反应，使用c-BN掺杂提高WC-Co硬质合金的硬度十分困难，而在金属Mo、Ni等为粘结相的硬质合金中，由于Mo、Ni等和c-BN较低的化学反应活性，使得采用c-BN掺杂提高硬质合金的硬度成为可能。但是，使用金刚石或c-BN做掺杂剂时，金刚石或c-BN与基体材料的结合力比较弱；因此，提高金刚石或c-BN与基体材料的结合力(即基体材料对金刚石或c-BN的把持力)是提高材料性能的关键所在，而通过在金刚石或c-BN表面通过化学或物理的方式镀一层金属膜(如Mo或Ti或Ni等)是可能提高金刚石或c-BN与基体结合力的有效方式。这种技术还有利于在提高材料硬度的同时，保持硬质合金基质的强度。

对于材料强度和韧性的提高，现代高技术陶瓷工艺常常使用第二相增韧和晶须增韧等方法，现代纳米技术甚至制备得到了超高强度的碳纳米线/管等超高强度增韧材料。但是，在WC-Co硬质合金基体中掺杂晶须(如SiC)或碳纳米线/纳米管等时，在高温下由于硬质合金中的粘结相金属Co和高表面活性的纳米结构材料之间的存在强烈的化学反应，掺杂纳米结构材料后的实际增强增韧效果并不理想。如何在经过高温处理(烧结)后让纳米材料仍然保持其固有高强度特性是现代陶瓷技术领域的重要课题。