[发明专利]一种碳化钨-钢基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种稀土调控颗粒微观界面生长的碳化钨‑钢基复合材料及其制备方法，所述碳化钨‑钢基复合材料包括复合层‑过渡层‑基体层，采用表面附着稀土元素的碳化钨与钢粉的混合粉末作为复合层材料，钨粉和钢粉的混合粉末作为过渡层材料，钢粉作为基体层材料；其中，稀土元素为Nd、Y、Ta中的一种或几种的混合。将表层包覆有稀土元素粉末的碳化钨颗粒和钢粉的混合粉末与钨粉‑钢粉的混合粉末及钢粉末，共同压制成复合层‑过渡层‑基体层预制体，放入真空管式烧结炉烧结成型。

技术领域

本发明涉及一种碳化钨-钢基复合材料及其制备方法，尤其是一种稀土调控颗粒微观界面生长的碳化钨-钢基复合材料及其制备方法，属于新型材料的开发设计领域。

背景技术

材料的磨损是从材料的表面开始的，耐磨材料表面的抗磨性决定了其在磨损工况下的服役寿命，因此如何提升材料表面的抗磨性是耐磨材料开发和研究的重点。与传统单一金属材料相比，陶瓷颗粒增强钢铁基体表层复合材料以其独特的结构、卓越的性能和较高的性价比成为如今耐磨材料研发的主流。如表1所示，在氧化铝、碳化硅、碳化钛、碳化钨等众多陶瓷颗粒中，碳化钨的强度和硬度相比于其他陶瓷颗粒均要高，化学稳定性也较好，与钢的润湿性极强，界面可以达到良好的结合，在颗粒增强钢铁基表层复合材料中有着较好的应用前景。

表1 常见增强颗粒的物理、力学性能

作为一种陶瓷颗粒增强表层复合材料，碳化钨颗粒与钢基体的热物理性质匹配程度是关系到材料性能优良的重要因素。钢材的膨胀系数为12×10^-6/℃左右，与碳化钨的膨胀系数差距较大，温度变化速率的大小对材料微观界面的物理状态影响巨大。升温时，变化速率过大会在微观界面处产生压应力，造成应力集中，降温时会产生拉应力，使界面有开裂的倾向。特别是在激冷激热的工况下，频繁的应力变化还会导致热疲劳的产生，加快零件的失效。如何解决碳化钨颗粒与钢基体热物理性质不匹配问题，成为如今碳化钨-钢基复合材料研究发展的重点突破方向。

早先开发出的WC-Co表层复合材料，在碳化钨颗粒中添加钴元素作为粘结剂并将其置于钢基体表面，作为承受外来冲击磨损的单元。研究发现，在浇铸过程中基体生长出了韧性较好的细小珠光体和硬度较高的W-Co-C型碳化物，提高了耐磨性能。但W-Co-C型碳化物，特别是Co₃W₃C的存在，也带来了脆裂的倾向，打断了复合层与基材的界面连续性，一定程度上降低了材料的性能。近些年来也有学者尝试添加氧化锆或氧化铌，以求改善碳化钨与基体间的界面连续性，效果不大。

CN1116248A公开了一种含稀土及其氧化物的碳化钨基硬质合金，加入Ta、La、Nd、Y等稀土元素及其氧化物，采用湿磨的方法球磨24-120h，用冷等静压机压制成型后放入高温真空炉中烧结成型，以求应用在制造金刚石的顶锤上。此方法放宽了顶锤的工艺要求的同时提高了其使用寿命。但湿磨过程中球磨罐不能采取真空环境，化学性质极其活泼的稀土元素以及碳化钨颗粒极易在球磨过程中氧化，而长时间的球磨过程中小钢珠的碰撞使稀土元素和碳化钨颗粒的能量升高，进一步加剧了氧化，造成球磨质量下降；其次，由于稀土元素的加入，湿法球磨干燥后的样品会呈层片状粘连在一起，普通方法很难做到将颗粒分开并去除多余的稀土元素而不损伤到附着在颗粒上的稀土元素。

CN103056382A公开了一种纳米结构碳化钨/钴复合粉末的制造方法。将具有水溶性质的钴盐、钨盐、渗碳球化剂溶于水中，经500-700℃的快速结晶处理后得到球状粉末，最后在900-1000℃还原合成和调碳，制备出具有纳米结构的碳化钨/钴复合粉末。此工艺摒弃了传统的球磨法制备碳化钨/钴复合粉末的制造方法，保证两相混合均匀，粒子细化至纳米级的程度高。但不可避免的导致了制备过程的复杂和困难，且金属粘结相钴的加入会引起碳化钨-钢基复合材料强硬度的下降，导致材料性能的降低。

发明内容