[发明专利]一种含氧化硼的碳化钨复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于硬质合金材料技术领域，公开了一种含氧化硼的碳化钨复合材料及其制备方法。所述复合材料由碳化钨、氧化硼、氧化铝和氧化锆制备而成，其中碳化钨的含量为88‑96wt％，氧化硼、氧化铝和氧化锆的用量都不为0；且氧化铝：氧化硼的摩尔比为(0.5～4.5)：1。本发明通过加入氧化硼，显著降低复合材料的烧结温度，同时提高复合材料的断裂韧性。利用氧化硼与氧化铝反应生成硼酸铝晶须的过程，在较低温度得到致密的无粘结相WC复合材料。所制备的复合材料不含有任何金属粘结相，具有很高的硬度、耐磨性以及较好的韧性，适合刀具材料或模具材料。

技术领域

本发明属于WC基硬质合金材料技术领域，涉及一种无粘结相碳化钨复合材料，具体涉及一种掺杂氧化硼与氧化铝、氧化锆复合增韧碳化钨材料及其制备方法。

背景技术

WC-Co硬质合金作为工业常用切削材料，广泛应用于地质、机械加工、石油探测和研磨等耐磨、耐腐蚀和耐高温材料领域。然而随着科技进步，其应用工况不断恶劣，传统硬质合金越来越不能满足更严苛的性能要求。尤其在酸碱度变化巨大、高速/高温切削的工作环境下，传统硬质合金的Co相成为限制其发挥的主要原因。钴相耐酸碱性能较差，且会高温软化。同时，我国是一个贫钴国家，世界Co资源的分布是极其不均衡的，刚果(金)、澳大利亚和古巴三国的Co储量之和就占据世界总储量的68％。剧烈变化的世界形势为中国的Co原料的供应带来很多不稳定因素。因此，寻找非粘结相代Co材料，缓解对国外Co进口的需求，同时提高WC类硬质合金的高温性能、耐酸碱性能就显得非常重要。

目前对无粘结相WC基复合材料的研究集中于提高其断裂韧性上，通常借鉴陶瓷材料増韧手段，通过引入陶瓷颗粒控制晶粒大小等工艺参数提高其断裂韧性。但引入陶瓷颗粒的后果就是大幅提高烧结温度，一般陶瓷増韧无粘结相WC基复合材料欲达到致密度97％以上需要将烧结温度提高到1600℃(Huang S.G.,Vanmeensel K.,Biest O.V.D.,etal.Development of ZrO₂–WC composites by pulsed electric current sintering[J].Journal of the European Ceramic Society.2007,27(10):3269-3275)。而要达到最佳韧性指标，一般需要提高烧结温度到1800℃。而现有WC-Co硬质合金烧结全致密仅需1400℃左右。这对现有粉末冶金行业将是极大挑战。同时无粘结相WC基复合材料韧性较低，欲达到断裂韧性～10MPa·m^1/2即需特殊烧结工艺。相较传统WC-Co硬质合金(YG系列)远超14MPa·m^1/2的断裂韧性指标，仍有较大差距。

目前，报道的无粘相WC基硬质合金如WC-MgO、WC-Al₂O₃、WC-SiC、WC-TiO₂等。夏晓建(Xia X.,Li X.,Li J.,et al.Microstructure and characterization of WC-2.8wt％Al₂O₃-6.8wt％ZrO₂ composites produced by spark plasma sintering[J].CERAMICSINTERNATIONAL.2016,42(12):14182-14188)等通过共晶陶瓷相増韧WC材料，有效的将无粘WC硬质合金烧结温度降至1600℃，为后续研究提供了新的思路。但其韧性较差，相较纯WC基体的韧性6.68 MPa·m^1/2仅提升至～8.9MPa·m^1/2。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种复合增韧WC复合材料(即含氧化硼的碳化钨复合材料)。本发明在碳化钨基体中加入氧化锆、氧化硼、氧化铝，所获得复合材料具有非常好的性能，烧结温度低。

本发明的另一目的在于提供上述复合增韧WC复合材料的制备方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：