[发明专利]一种硬质合金纳米粒径粉末与高性能烧结块体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料和新型粉末冶金技术领域，具体涉及一种硬质合金纳米粒径粉末与高性能烧结块体材料的制备方法。

背景技术

在硬质合金材料体系中，WC-Co系硬质合金因具有高的硬度、耐磨性和抗弯强度而成为机械制造、航空航天、石油化工等领域不可或缺的加工工具材料。上个世纪90年代人们曾预言，相对于传统的粗晶硬质合金，纳米晶硬质合金可具有优异的硬度和韧性组合而成为高端科技领域所需求的更先进的工具材料。然而，至今WC-Co系纳米晶硬质合金材料的制备仍然停留在实验室研制阶段，国内外报道的性能远未达到人们期待的水平，尤其是随晶粒尺寸减小硬度提高而韧性急剧下降的矛盾一直未能解决，难以达到硬度和韧性优良配合的程度，从而无法满足现代工业对于高硬度、高韧性纳米晶硬质合金的需求。

目前，研究人员普遍采用增加晶粒长大抑制剂添加量和快速烧结的方法来制备纳米晶硬质合金，虽然在减小硬质合金中WC晶粒尺寸方面起到了一定效果，但是制备的块体材料的致密度却较低，通常低于95%，长期难以突破兼具高密度和纳米晶组织的烧结硬质合金块体材料的制备，导致纳米晶硬质合金的力学性能不高。

WC-Co系纳米晶硬质合金的制备主要包括粉末合成和烧结致密化两个关键步骤。目前国内外应用较多的粉末制备方法有高能球磨、机械化学合成、喷雾转换、化学合成、溶胶-凝胶法等，虽然可以制备出纳米尺度的粉末，但存在工艺路线复杂、粒度分布不均匀、粉末中晶体缺陷多等问题，尤其是制备的粉末在后续烧结致密化过程中容易发生快速晶粒长大，难以最终得到纳米晶组织的硬质合金块体材料。尽管众多研究者尝试采用高频感应加热烧结、超高压快速烧结、脉冲等离子烧结、放电等离子烧结等新型烧结技术来控制致密化过程中晶粒的长大，但成功制备出具有高性能的纳米晶硬质合金的报道仍然极为少见。因此，根据目前国内外纳米晶硬质合金的制备研究现状，我们研究开发了一种制备纳米粒径的硬质合金粉末、并以之为烧结原料制备纳米晶硬质合金块体材料的方法，由该方法制备的硬质合金具有高密度、高硬度和高韧性的优良力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备纳米粒径的硬质合金粉末并以之为原料制备具有高密度、高性能的纳米晶硬质合金块体材料的方法。首先，以纳米尺度的紫钨（WO_2.72）、微米尺度的钴氧化物（Co₃O₄）和钒氧化物（V₂O₅）与石墨烯或碳纳米管或石墨烯与碳纳米管的混合物为原料，进行混合球磨；其次，将球磨后的混合粉末冷压成坯，置于流动氩气氛围下进行还原和碳化反应，制备出纳米尺度、颗粒尺寸分布均匀、球形度好、含有晶粒长大抑制剂的WC-Co-VC粉末；最后，利用超高压固相烧结技术，将纳米粒径的WC-Co-VC粉末进行烧结致密化，制备出高密度、高性能的纳米晶硬质合金块体材料。本发明在制备纳米WC-Co-VC粉末和烧结硬质合金块体材料方面具有工艺步骤简单、流程短、易精确操作等优势，制备的纳米复合粉末粒径可控、球形度好、热稳定性高，烧结制备的硬质合金块体材料具有物相纯净、致密度高、纳米晶粒尺寸分布均匀、力学性能优越等特点，整条技术路线可用于高性能纳米晶硬质合金的稳定制备，具有重要的工业推广应用价值。

本发明提供的硬质合金纳米粒径粉末与高性能烧结块体材料的制备方法，其特征包括以下几个步骤：

（1）以纳米尺度的紫钨（WO_2.72）、微米尺度的氧化钴（Co₃O₄）和氧化钒（V₂O₅）与石墨烯或碳纳米管或石墨烯与碳纳米管的混合物为原料，按照最终制备的硬质合金块体材料中Co含量的要求，将上述原料按还原和碳化反应所需的比例混合并进行球磨，球磨介质为去离子水，球磨转速为400-600r/min，球磨时间为50-150h，球料比为5:1-15:1,球磨后的混合粉体放入真空干燥箱中烘干；

（2）将球磨干燥后的混合粉末冷压成坯，置于通入流动的氩气的炉子中进行还原和碳化反应，反应温度为850-1000℃，升温速率为10-20℃/min,保温时间为1-3h，合成纳米粒径的WC-Co-VC粉末颗粒；