一种碳化钨复合材料的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料加工工程领域，具体设及一种低成本高性能的碳化鹤复合材料的 制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002] 造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的机械摩擦、粘结、化学 磨损、崩刃、破碎W及塑性变形等磨损和破损，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫 时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性（氧化性、扩散性、溶解度等）和抗热 震性能W及抗涂层破裂性能等[艾兴、刘占强等，高速切削刀具的进展和未来.制造技术与 机床，2001年第8期：21-25]。基于运一要求，近几十年来，发展了一批适于高速切削的刀 具材料，可在不同切削条件下，加工切削各种工件材料。目前较常见的高速切削材料有硬质 合金材料、陶瓷材料和金刚石材料，其中硬质合金材料运用最多最广。硬质合金（Carbide material)通常采用高硬度、难烙的金属碳化物（WC、TiC等）的微米数量级粉末，采用 Co、Mn、Ni等作粘结剂烧结而成的硬度高、耐磨性好，耐高溫，切削速度高的材料[Amartya Mukhopadhyay-BikramjitBasu,RecentDevelopmentofWCbulkmaterials[J].JMater Sci(2011) 46:571-589]。碳化鹤材料本身的强度和初性较差，承受震动和冲击能力较差，W Co等金属作为粘结剂可W改善运些缺点。钻是一种非常稀缺的资源，是重要的战略资源之 一，其具有的战略性远远超过鹤钢锡錬，价格较高。同时WC材料的一些优异的性能也会因 此受到影响，尤其是在高溫、高速、腐蚀环境下的性能[祝溪明，高速切削刀具材料的发展 应用研究.机械设计与制造2012年11月第11期：244~245 ;刘建永，吴连连.高速切削 刀具材料的研究进展.热处理技术与装备，2012 (2) :39~41]。
[0003] 近年来国内外有很多用不同金属或金属间化合物部分或完全替代钻来作为WC的 粘结剂的研究工作，试图在改善WC材料的力学性能，提高致密度的同时，提高材料的耐高 溫、抗腐蚀的性能。金属间化合物（IntermetallicsCompounds,简称：IMC)是指金属与金 属、类金属间形成的化合物。金属间化合物由于其本身特殊的微观组成特殊的晶体结构、电 子结构、能带结构，因而具有十分优异的力学性能、抗氧化耐腐蚀性能和特殊的物理性能。 常见的金属间化合物有Ni-Al系金属间化合物、化-Al系金属间化合物和Ti-Al系金属间 化合物。其中，Ni-Al系金属间化合物包括NisAl基合金和NiAl基合金两类。目前主要的制 备方法主要为金属间化合物预合金法或置换反应方法等。李小强等人公开了一种WNisAl 为粘结相的碳化鹤材料及制备方法，W增初NisAl代替传统粘结相钻，采用电流快速烧结法 成型固结球磨粉末[一种WNisAl为粘结相的碳化鹤材料及其制备方法，中国发明专利，公 开号：CN10323925A]。龙坚战等人的授权专利中，发明了一种W铁-侣金属间化合物为主 粘结相的硬质合金制备方法，具有致密化高、强度高、耐磨性好等优点[W铁-侣金属间化 合物为主粘结相的硬质合金及制备方法，中国发明专利，授权公告号：CN102134663B]。陈 必志等人发明了一种WNi-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金及制备方法，WWC-AI4W 预合金粉体为前驱体，由碳化鹤粉、儀粉、NiAl金属间化合物为粘结相的硬质合金[一种 WNi-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金及其制备方法，中国发明专利，授权公告号：CN103205589B]。总体来说，目前WC刀具复合材料制备方法中，往往先要合成金属间化合物 粉体，然后与WC混合并烧结成型，步骤冗长，提高了制备成本。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种通过原位反应和快速烧结技术制备碳化鹤复合材料 的方法，主要通过加入Ni、A1等元素粉体，与WC混合均匀后，在反应过程中实现烧结助剂粉 体间的合金化反应，通过改变烧结升降溫速率、保溫时间、烧结压力等多个因素来控制碳化 鹤基复合刀具材料的微观结构，通过简化操作步骤W及减少Co等元素的使用量降低成本， 提高碳化鹤基复合材料的致密性和力学性能。
[0005] 为实现上述技术目的，本发明采取如下技术方案：一种WC基复合材料的制备方 法，WNiAl为例，包括如下步骤： W06] (1)将Ni粉、Al粉先混合均匀，干燥，过筛；
[0007] (2)将步骤（1)混合后的粉体与WC粉体混合均匀，干燥，过筛；
[000引 做将步骤似的粉体倒入石墨模具中，预压；
[0009] (4)将装有粉体的石墨模具放到烧结炉内，抽真空，加压，开始烧结；
[0010] (5)烧结反应结束后，降溫至室溫，先打开通气阀，降压后，打开炉膛，取出样品，得 到块体材料；
[0011] (6)将步骤（5)得到的块体材料打磨，去掉表面的石墨片，得到复合材料。
[0012] 优选地，采用的Ni粉体的粒径为0. 5~10ym，Al粉的直径为2~5ym，纯度均 大于98%，Ni和Al摩尔比为1:1~3:1。
[0013] WC粉体的粒径为1~20 ym，纯度大于99% ,Ni和Al的总重量含量占整个碳化鹤 复合材料的5~15wt%。
[0014] 其中，（1)和似中粉体的混合方法为行星球磨，球磨在酒精或丙酬中进行。
[0015] 更进一步地，步骤（1)中Ni和Al粉混合时间为12-2地，步骤（2)中混合时间为 6-1 化。
[0016] 步骤（1)和似中混合后的粉体均过50~200目筛3~4次。
[0017] 优选地，烧结过程中炉体保持为真空或氣气气氛。
[0018] 步骤（4)的烧结条件为：升溫速率为50~100°C/min,将装有粉末的石墨模具 放到烧结炉内，抽真空，通入氣气气氛加压，烧结升溫速率为100°C/min,烧结过程中预压 25MPa，溫度在1000°C后，再加压至50MPa，最终烧结溫度为1600°C，保溫时间为3min。
[0019] 本发明进一步提出了上述碳化鹤复合材料在制备碳化鹤刀具上的应用。
[0020] 本发明的有益效果：本发明提供了一种通过原位反应和快速烧结技术制备碳化鹤 基刀具复合材料的方法，两步混合法混料，先Ni和Al金属粉末混合，然后再与WC粉体混 合，通过将多种金属元素粉末与WC混合后在高溫下的合金化反应，保证了合金化反应和烧 结过程的同步完成，反应过程中的放热反应可W降低烧结所需溫度，通过改变烧结工艺参 数，如升降溫速率、保溫时间、烧结压力、烧结气氛等多个因素可W有效控制碳化鹤基复合 刀具材料的微观结构，降低成本，提高碳化鹤基复合材料的致密性和力学性能，从而具有良 好的产业前景。
【附图说明】
[0021] 图1为实例1所述实验参数下获得的WC-NiAl复合材料的表面微观结构照片；
[0022] 图2为实例1所述实验参数下获得的WC-NiyAly复合材料的硬度测试结果，同时加 入了WC-Co的硬度值作为比较。其中NixAly和Co的重量含量均为lOwt%。
【具体实施方式】
[0023] W下为本发明的优选实施方式，仅用于解释本发明，而非用于限制本发明，且由该 说明所作出的改进都属于本发明所附权利要求所保护的范围。
[0024] 实施例1
[0025] 本实施例提供了一种WC基复合材料的制备方法，用于制备WC基刀具。复合材料 的制备步骤如下：
[0026](1)将Ni粉（粉体平均粒径：0.5ym)、Al粉（粉体平均粒径：2ym)混合，Ni和 Al的摩尔比为1:1，总重量为50g。先在酒精中通过行星球磨混合均匀，混合2地，然后在 80°C溫度下干燥12h，过200目筛3次；
[0027] 似将步骤（1)混合后的粉体5g与WC粉体（45g，粉体平均粒径：IOiim)通过行 星球磨在丙酬或酒精中混合均匀，混合12h，然后在80°C溫度下干燥12h，过200目筛3次； [00測 做将步骤似的粉体倒入石墨模具中，用压机预压，压力为TMPa;
[0029] (4)将装有粉末的石墨模具放到烧结炉内，抽真空，通入氣气气氛加压，烧结升溫 速率为IOOC/min,烧结过程中预压25MPa，溫度在1000°C后，再加压至50MP