[发明专利]一种β-Si3N4晶须和Ni3Al粘结相协同增韧的WC复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种β‑Si₃N₄晶须和Ni₃Al粘结相协同增韧的WC复合材料及其制备方法。该复合材料按质量百分比，由如下组分组成：WC 86~92%，Ni₃Al金属间化合物6%，β‑Si₃N₄晶须2~8%。该制备方法包括如下步骤：（1）WC粉体、Ni₃Al粘结相对应的金属间化合物以及有机溶剂通过湿式球磨，得到WC‑Ni₃Al复合材料粉末浆料；（2）β‑Si₃N₄晶须、WC‑Ni₃Al复合材料粉末浆料以及有机溶剂通过低能湿式球磨，干燥，过筛，烧结固化，得到β‑Si₃N₄晶须和Ni₃Al粘结相协同增韧的WC复合材料。本发明复合材料具有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性能以及较好的韧性，适合作为刀具材料或者模具材料。

技术领域

本发明属于合金材料制备技术领域，具体涉及一种β-Si₃N₄晶须和Ni₃Al粘结相协同增韧的WC复合材料及其制备方法。

背景技术

几十年来，WC-Co硬质合金始终占据着硬质合金产品的主导地位，主要是由于WC具有很高的硬度，洛氏硬度可达94HRA，而Co具有优良的韧塑性，并且对WC的润湿性非常好，因此WC-Co硬质合金在受力条件下，由于WC晶粒形成的骨架可以承受很大的压力，显示出很高的硬度；另一方面，作为粘结相的Co则通过变形吸收能量，抑制裂纹的扩展，呈现较高的韧性，所以WC-Co硬质合金同时具有优良的横向断裂强度和硬度，广泛应用于各种相关场合。但是以Co作为粘结剂的硬质合金也存在着固有的缺陷和不足，首先钴是稀缺而昂贵的战略资源，其次钴基金属粘结剂会在高温条件下由于软化而失效，且在高频载荷下也会失效；在耐腐蚀性方面，WC-Co硬质合金在某些恶劣的腐蚀工作环境下，由于金属粘结剂被腐蚀，缩短了硬质合金的使用寿命。因此，为了克服这种缺陷，研究人员正在努力寻找一种新的金属粘结相以取代Co。其中较为理想的一种替代物就是Ni₃Al。

Ni₃Al是一种具有L1₂型长程有序结构的典型的伯托利金属间化合物。独特的材料属性使其具有较高的硬度（Ni₃Al室温下的硬度是2.0GPa，而Co仅为1.04GPa）、强度以及优良的抗氧化（Ni₃Al良好的抗氧化性能是因为其表面能形成钝化的氧化膜）和耐腐蚀性能。同时Ni₃Al还具有优异的高温强度和高温蠕变抗力，特别是在较高的温度范围内（800~1000℃），其屈服强度反常地随温度的上升而提高。这些特点令WC-Ni₃Al硬质合金非常适合取代WC-Co硬质合金。陈健等利用机械合金化的方法制备得到了Ni₃Al金属间化合物并利用SPS技术制备出具有细小均匀组织的WC-10 wt.%Ni₃Al复合材料，其拥有在高温下优于WC-8wt.%Co的抗氧化性能和耐腐蚀性能。但是制备得到的复合材料断裂韧性却低于WC-8 wt.%Co硬质合金材料[陈健. WC-Ni₃Al力学性能研究及其抗氧化和耐腐蚀性能研究. 华南理工大学, 2013]。因此，提高WC-Ni₃Al复合材料的断裂韧性就显得非常重要。

目前在对WC基硬质合金的增韧研究中，β-Si₃N₄晶须因具有良好的导热性、综合力学性能以及化学稳定性而常用于某些低韧性的陶瓷材料。采用β-Si₃N₄晶须对WC复合材料进行增韧，其增韧效果明显，而且特别适用于高温环境，其主要通过裂纹桥接、裂纹偏转以及晶须拔出机制增韧。目前采用β-Si₃N₄晶须增韧WC-Ni₃Al复合材料的研究尚未有相关报道。

发明内容