[发明专利]一种分步烧结制备高致密度纳米晶硬质合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高致密度纳米晶WC-Co硬质合金的制备方法，通过分步烧结降低纳米晶硬质合金的孔隙率，获得高的致密度和力学性能，属于新材料和新型粉末冶金技术领域。

背景技术

在硬质合金中，WC-Co系硬质合金因具有高的硬度、韧性和抗弯强度而成为高科技领域不可或缺的工具材料，尤其是纳米晶硬质合金，表现出优异的硬度和韧性综合性能。然而，现有的WC-Co系纳米晶硬质合金块体材料的制备依然停留在实验室研究阶段，目前制备出全致密、兼具高硬度高强度的纳米晶硬质合金块体仍然存在很大困难，无法满足工业上对高性能纳米晶硬质合金的紧迫需求。

以往研究人员通常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硬质相WC晶粒尺寸方面达到了预期效果，但是烧结块体的致密度较低的问题却一直难以突破。

硬质合金块体材料制备无论采用固相烧结还是液相烧结，烧结温度都在1000℃以上，WC晶粒在烧结过程中发生长大是必然现象，要控制WC晶粒尺寸长大，降低烧结温度是必然途径，但较低的烧结温度又无法排除粉末颗粒间及颗粒表面吸附的气体，致使烧结块体的孔隙度较高，致密度低，无法得到具有高韧性、高强度等力学性能的纳米晶硬质合金。针对国内外纳米晶硬质合金的制备研究现状，我们研究开发出了一种采用高压预烧结之后再进行快速低温致密化的两步法烧结技术制备具有高致密度的纳米晶硬质合金块体材料，国内外均未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过分步烧结获得高致密度、纳米晶粒组织WC-Co硬质合金块体材料的方法。首先利用纳米尺度紫钨(WO_2.72)、Co₃O₄和炭黑(C)以及氧化钒(V₂O₃)和氧化铬(Cr₂O₃)的混合粉末为原料，按照最终硬质合金块体材料中Co含量的要求计算出上述原料的用量比，将原料混合球磨处理后，压制成块并送入真空炉中进行原位反应制得成分分布均匀、分散性良好的平均粒径约70nm的WC-Co-VC/Cr₃C₂复合粉末；其次将纳米WC-Co-VC/Cr₃C₂复合粉末装入高强硬质合金模具，进行放电等离子烧结，采用分段加压、升温并保温的技术路线和工艺步骤，得到具有高致密度且晶粒长大可控制的预烧结块体；最后把预烧结后的块体放入高强石墨模具中进行高温短时放电等离子快速烧结致密化，最终得到致密度超过99.0％的近全致密纳米晶硬质合金块体材料。本发明所制备的纳米晶WC-Co硬质合金块体材料的技术路线能耗低且环保，所制备的块体材料在保证纳米晶粒尺寸的同时具有高的致密度和力学性能，为纳米晶硬质合金的批量制备和工业应用提供了重要的技术基础。

本发明提供的分步烧结制备高致密度纳米晶硬质合金块体材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先将晶粒长大抑制剂合成用的原料V₂O₃和Cr₂O₃与纳米紫钨WO_2.72、氧化钴Co₃O₄和炭黑混合并进行均匀细化球磨处理，球磨工艺参数为：球料比为25:1-30:1，球磨时间为100-150h，球磨后的混合粉末放入真空反应炉制得包含晶粒长大抑制剂VC/Cr₃C₂的WC-Co-VC/Cr₃C₂纳米复合粉末；

(2)将步骤(1)制备得到的WC-Co-VC/Cr₃C₂纳米复合粉末装入硬质合金模具预压，然后放入放电等离子烧结设备中进行低温高压预烧结，采用如下工艺参数：在烧结压力100-300MPa下，温度从室温升至100℃，升温速率为10-50℃/min，在100℃保温10-30min；保温结束后，温度由100℃升至300℃，升温速率为10-50℃/min，在300℃下保温10-30min；保温结束后，增加烧结压力至300-500MPa，在此压力下温度由300℃升至500-700℃，升温速率为10-100℃/min，在500-700℃温度下保温30-60min；