[发明专利]一种无粘结相碳化钨复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳化钨复合材料技术领域，涉及一种无粘结相的碳化钨复合材料，还涉及一种简单高效地制备上述无粘结相的碳化钨复合材料的方法。

背景技术

WC-Co硬质合金，是一种常见的、重要的硬质合金种类(YG系列)，广泛地应用于现代刀具材料、耐磨、耐腐蚀和耐高温材料领域，有现代工业的牙齿之称。纯WC材料很难烧结致密，即使烧结致密，烧结温度也往往在2000℃以上，如此高的烧结温度对设备本身也是一种损害，并且烧结后断裂韧性只有～4MPa·m^1/2。Co作为WC烧结时的一种粘结相，对WC有非常好的润湿性，同时能使WC烧结温度降低到～1400℃，烧结时Co成为液相，大大增加WC颗粒扩散速率，使烧结致密，烧结后碳化钨复合材料通常断裂韧性为～12MPa·m^1/2。然而，中国的Co资源极其匮乏，严重依赖进口。随着各国对一些战略性资源的限制出口，国际Co价格上涨的动力十分强劲，Co原料的供应也存在很多不稳定因素。同时Co作为一种粘结剂，降低了WC材料的硬度，耐腐蚀性和耐高温性，限制了WC材料在某些极端服役环境下的应用。因此，寻找一种常见的来源广泛的，并且在WC中不形成粘结相的材料来替代Co，摆脱对国外的依赖，同时提高WC类硬质合金的硬度和高温性能就显得非常重要。目前在对无粘结相WC材料的研究中，添加陶瓷相是一种思路，陶瓷材料由于具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优良性能而受到重视，但是由于脆性问题(韧性、塑性低，强度不高，性能稳定性和可控性差)使其应用相当受限，因此利用陶瓷相颗粒/纤维，或者相变来改善强韧性，是选择陶瓷相的一个重要标准(郑东海.放电等离子烧结制备陶瓷颗粒/晶须增韧WC复合材料的研究[D].华南理工大学,2013.)。

目前在WC中单独添加Al₂O₃或ZrO₂陶瓷粉末，利用Al₂O₃颗粒增韧或ZrO₂相变增韧的报道常见于论文和专利中，但是同时在WC中添加这两种成分，却鲜有研究报道，并且单独添加Al₂O₃或ZrO₂陶瓷时，在提高韧性的同时，复合材料的硬度明显下降。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种综合性能优异的无粘结相碳化钨复合材料。

本发明的另一目的在于提供上述无粘结相碳化钨复合材料的制备方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案来实现：

一种无粘结相碳化钨复合材料，其原料组分为WC、ZrO₂(3Y)、Al₂O₃，各组分的质量百分数为WC：88～94％，Al₂O₃：1.9～3.7％，ZrO₂(3Y)：4.1～8.3％，其余为不可避免的杂质含量。

所述ZrO₂(3Y)含3mol.％Y₂O₃。

所述无粘结相碳化钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将WC、ZrO₂(3Y)、Al₂O₃原料粉末置于有机溶剂或无机溶剂中进行湿式球磨，制得混合浆料；或将原料粉末直接进行干式球磨；

(2)将湿磨完以后的混合浆料进行干燥，直至溶剂残余量≤1％，碾碎、过筛，获得颗粒尺寸≤150μm的湿磨复合粉末；干磨后的粉末不需烘干直接碾碎、过筛，获得颗粒尺寸≤150μm的干磨复合粉末；

(3)采用放电等离子烧结技术对复合粉末进行固化成型和烧结，得到无粘结相碳化钨复合材料。

所述放电等离子烧结技术的烧结工艺条件为：

烧结电流类型为直流脉冲电流；

烧结压力：30～50MPa；

烧结气氛：低真空≤6Pa；

升温速率：50～300℃/min；

烧结温度：1350～1600℃；

保温时间：0～20min。

所述有机溶剂为乙醇，所述无机溶剂为水。

所述干式球磨是指将原料粉末置于球磨机后抽真空，然后通入惰性气体，再进行球磨。

本发明与现有技术相比具有以下突出的优点：