[发明专利]一种WC-Co-cBN复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种WC-Co-cBN复合材料的制备方法。

背景技术

硬质合金（WC-Co复合材料）具有高硬度、强度，良好的耐磨性和导热性能等优异性能，已在合金加工、凿岩勘探、高性能磨具方面有着广泛的应用。但随着我国汽车工业、机械制造、航空航天、军工等领域的迅猛发展，迫切需求更高性能、更广应用范围的硬质合金材料。但该复合材料中“不可调和的矛盾”，即硬度和韧性的矛盾制约了材料的发展。

cBN称为立方氮化硼，属共价键化合物，有着高的化学稳定性、热稳定性和电阻率及仅次于金刚石的硬度。近十几年来，cBN结合陶瓷复合材料逐渐得到人们的普遍关注，材料工作者们开始尝试各种制备方法以期获得成本低、密度高且性能优异的陶瓷结合cBN复合材料。cBN以微米级颗粒的形式添加在硬质合金中，不仅对耐磨性能有所提高，而且由于cBN对裂纹扩展的阻碍作用，复合材料的韧性会有明显提高。因此，WC-Co-cBN复合材料有巨大潜力成为解决硬质合金硬度和韧性矛盾的复合材料。

但是由于WC难以烧结，即使添加Co作为粘结剂，烧结温度仍然在1350℃以上，且由于cBN颗粒在金属和高温的作用下稳定性下降等因素，制备高性能的WC-Co-cBN复合材料十分困难。目前国内外报道的WC-Co-cBN复合材料的制备主要有常压烧结、热压烧结、热等静压和放电等离子烧结等方法。以上各种制备工艺均有可取之处，但是在保证材料性能的同时，如何降低生产的成本，实现工业生产成为亟待突破的难关。因此选择合理的烧结方法、烧结制度和合适的原料粒度是降低烧结温度和保证cBN稳定，最终制备出高密度、硬度和耐磨性WC-Co-cBN复合材料的关键。热压烧结制备硬质合金材料已成为工业生产的可行手段，但目前有关热压烧结法合成WC-Co-cBN复合材料的报道尚不多见，国外的报道多为热等静压（Martinez, V, et al. Spain）或者放点等离子烧结（Yaman,B, et al. Turkey）制备WC-Co-cBN复合材料，国内也只有2007年4月武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室发表的一篇文献报道（热压制备WC-Co-cBN复合材料），他们的研究为表面镀钛后的cBN（0.15~0.375mm），在1380℃热压烧结对WC-Co-cBN复合材料性能的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种WC-Co-cBN复合材料的制备方法，目的是在较低的烧结温度下获得高密度、高韧性且性能优良的WC-Co-cBN复合材料。

一种WC-Co-cBN复合材料的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）首先按比例称取WC、金属Co粉末和cBN原料，并均匀混合，采用球磨混料，球磨时间为15~20小时，混料转速为150~350转/分；

（2）将经球磨混合好的原料在50~200℃烘箱中干燥后， 再经100~300目过筛处理后待用；

（3）将干燥好的原料装入模具后，置于热压烧结炉中，烧结炉以30~50℃/min速度升温至1200~1400℃，并保温5~30分钟，压力保持在20~50MPa，得到WC-Co-cBN复合材料。

所述的原料中，WC 和金属Co的质量比为（97~90）：（3~10），cBN占原料体积分数为3~10%；其中WC的粒度为200nm，金属Co的粒度为100目，cBN的粒度为0.5~1.5μm。

所述的球磨时，球磨介质为无水乙醇，磨球为Al₂O₃球。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

（1）本发明中将0.5~1.5μm的cBN和硬质合金复合，cBN均匀弥散分布在整个硬质合金基体中。材料受力产生的裂纹扩展到cBN附近时，cBN作为硬质点阻碍裂纹扩展，裂纹只能绕过cBN颗粒。裂纹发生偏转后，增加了裂纹扩展的行程，同时吸收大多数能量，裂纹走过的轴向位移大大减少，从而材料的断裂韧性明显提高。而目前硬质合金的韧性增加多依靠增加Co的含量来实现的，但Co作为金属，含量越高硬质合金的耐磨性和硬度相应减小，此外，加工活泼金属（如钛合金）时，硬质合金的粘刀现象更加明显，刀具的使用寿命也降低。

（2）切割钛合金等的刀具的磨损是影响刀具使用寿命的重要因素。刀具在低速时主要是磨粒磨损，在高速时主要是粘结磨损和氧化磨损。cBN作为B原子和N原子的共价键化合物，键长短，化学惰性高，其制品是加工活泼金属的理想材料。cBN的加入可使硬质合金的耐磨性提高。