[发明专利]一种石墨烯改性硬质合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质合金的制备方法，特别涉及到一种石墨烯改性的硬质合金的制备方法。

背景技术

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度，广泛用作工业切削刀具、矿山钻头、耐磨件、精密零件等。传统硬质合金工业制备方法主要以粉末冶金方法为主，将碳化物与金属粘结剂混合压制成型，经过烧结形成致密合金。因此硬质合金的工业原料大量使用碳化物，其制备方法主要是为固相烧结反应制备法，是一种耗时、耗能的制备方法。直接以金属粉末或者氧化物作为原料，在烧结过程中一次完成碳化和烧结致密化过程，将大大缩短工艺流程，降低能耗，提高效率。公开号CN101624673A的发明专利公开了一种以氧化钨、金属Co粉、炭黑为原料一步制备硬质合金的方法，但是以传统金属粉末与碳粉混合制备硬质合金由于原料颗粒过大，碳粉难以有效形成在金属粉末外面包裹结构，碳化反应不均匀导致组织缺陷偏析严重，极大制约着这种方法思路的实施。纳米技术的发展给硬质合金行业带来了新的发展思路，推动了高性能超细硬质合金的制备技术的发展。公开号CN102061401A的发明专利揭示了一种以纳米W粉和超细金属Ni粉或Co粉作为原料，添加纳米碳粉，一步制备硬质合金的方法。但是，该方法中，碳含量分布仍有待改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯改性的硬质合金的高效制备方法，其充分利用石墨烯超薄二维片状结构所具有的高活性、巨大比表面积及其优越的综合力学性能等特点，通过在硬质合金烧结过程中一步实现碳化和烧结致密化目的，同时藉由石墨烯纳米片实现对硬质合金力学性能的增强和改性。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种石墨烯改性硬质合金的制备方法，其特征在于，该方法为：它是通过将氧化石墨烯或氧化石墨烯与碳粉的混合物均匀分散于水和/或有机溶剂中形成分散液之后，再与Cr₂O₃粉末、纳米W粉和纳米Co粉和/或Ni粉混合形成硬质合金原料，再依次经球磨、干燥、造粒、压制成型、脱脂和烧结工序制得目标产品。

作为优选的方案之一，该方法中是将氧化石墨烯或氧化石墨烯与碳粉的混合物预先进过分散形成浆料后，再与Cr₂O₃粉末、纳米W粉、纳米Co粉和/或Ni粉混合形成硬质合金原料的。

作为较佳实施方案之一，所述Cr₂O₃粉末在硬质合金原料中的含量为3-5wt%。

作为优选的方案之一，在所述硬质合金原料中氧化石墨烯或氧化石墨烯与碳粉的用量是按照W粉碳化工艺及烧结工艺条件需要的碳含量而计算获得，添加范围为硬质合金原料重量百分比1-10%。

作为优选的方案之一，该方法中是通过超声、研磨、球磨和高速剪切分散工艺的任意一种而将氧化石墨烯或氧化石墨烯与碳粉的混合物均匀分散于水和/或有机溶剂中形成分散液的，所述有机溶剂至少选自乙醇，N、N-二甲基甲酰胺，四氢呋喃，N、N-二甲基乙酰胺和甲苯中的任意一种。

作为较佳实施方案之一，在球磨工序中，球磨转速100-250转/分钟，球磨时间12-96小时。

作为较佳实施方案之一，在造粒工序中，还加入了用量为硬质合金原料重量1-10%的成型剂，所述成型剂至少选自聚乙烯醇、橡胶和石蜡中的任意一种。

作为较佳实施方案之一，在压制成型工序中，压制压力为200-400 MPa。

作为较佳实施方案之一，在脱脂工序中，脱脂温度为300-450℃，升温速率0.5-2℃/分钟，保温3分钟以上。

作为较佳实施方案之一，烧结工序采用惰性气体烧结、真空烧结和低压烧结工艺中的任意一种，且烧结温度为1300-1500℃。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：

（1）采用高活性石墨烯与金属粉末、氧化物粉末作为制备硬质合金的原料，在烧结过程中一步实现碳化和烧结，具有高效快捷的特点，尤其是采用氧化石墨烯作为添加成分，利用其表面带有的大量含氧基团以及易分散、高活性的特点，将其良好分散在乙醇等介质中形成分散液再进行添加，能有效克服传统碳粉添加均一性差的不足；