[发明专利]一种原位生成碳化物-钴镍铁非晶基硬质合金材料及其制备方法

权利要求书

1.一种原位生成碳化物-钴镍铁非晶基硬质合金材料及其制备方法，其特征是，材料的制备包括以下步骤：

步骤1、将强碳化物单质金属M(M为W、V、Cr、Nb、Ta或Ti中的一种或多种)粉和炭黑或石墨粉(C)按照一定摩尔比称料，再进行高能球磨；

步骤2、对步骤1球磨后得到的混合粉体进行低温煅烧处理，得到具有高反应活性、高比表面积的M-C中间相合金颗粒粉体；

步骤3、步骤2结束后，向其中再加入一定比例的合金钢磨球、还原铁粉、钴粉、镍粉、硼粉、钇粉和石墨粉等原料，然后进行高能球磨，提高混合粉体中的铁粉、钴粉、镍粉等的纳米化程度及畸变能，以提高其非晶形成能力；

步骤4、步骤3结束后，加入一定量的黏结剂，然后再低速球磨混合均匀。

步骤5、将步骤4球磨得到的混合粉体放入模具中，利用四柱液压机或冷等静压对其混合粉体进行高压压实，得到高致密块体坯料；

步骤6、将步骤5得到的致密块体坯料放入真空双室热处理炉的热室进行真空加热排黏结剂，然后在一定温度下进行烧结，最后得到的块体送入真空热处理炉的冷室，再通高速低温氮气对其进行快速气冷，最终得到块体硬质合金材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，强碳化物单质金属M粉和炭黑或石墨粉(C)按照W、V、Cr、Nb、Ta或Ti与C最终生成稳定碳化物分子式中的摩尔比进行称料，并将C过量10％(为了补偿后续煅烧处理过程中C元素的挥发)，然后进行高能球磨(合金磨球；硬质合金球磨罐；球料比为5∶1～10∶1，转速为300～700r/min，球磨时间为20～80h)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，煅烧处理是在氩气保护下进行的，煅烧温度范围为650～800℃(煅烧时间30min～1h)，得到具有高活性、高比表面积的M-C中间相合金颗粒粉体。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，加入一定比例的合金钢磨球(根据具体球料比)、还原铁粉、钴粉、镍粉、硼粉、钇粉和石墨粉(还原铁粉占总粉体质量的10～30％，镍粉占总粉体质量的5～25％，钴粉占总粉体质量的10～45％，硼粉占总粉体质量的5～15％，钇占总粉体质量的0～5％，石墨粉占总粉体质量的0.5～1.5％，步骤2得到的M-C中间相合金颗粒粉体占全部粉体质量的10～70％)，然后再进行高能球磨(球料比为5∶1～20∶1，转速为300～600r/min，球磨时间为20～100h)，球磨后得到的混合粉体的平均晶粒度在0.5μm以下。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4中添加的黏结剂为热塑性好的聚合物(如聚苯乙烯、聚乙二醇、乙烯-丙烯共聚物等)，以提高粉体在模具中的填充率以及粉体装填的均匀性，黏结剂的添加量为总粉体质量的0.5～1.5％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5中，利用冷等静压机压实，则将混合粉体置于专用的成型包套中；利用四柱液压机压实，则将混合粉体置于不锈钢模具中(模具提前预热至100～150℃)，然后将混合粉体也预热到100～150℃。冷等静压机/四柱液压机的压力为300-700MPa，保压时间为10-30min。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6中，在真空双室热处理炉热室中加热(真空度为4×10^-1～4×10^-3Pa)，在300～550℃保温30min，以完全排除黏结剂；然后再提高加热温度，对坯料进行低温烧结，烧结温度范围为1000～1250℃，保温时间为30min～2h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6中，在真空双室热处理炉冷室中通高速低温氮气，气流经导流板上喷嘴喷向块体进行快速冷却，出来的热气流通过高效热交换器进行冷却，再经风机喷向块体从而实现快速冷却循环；冷室中气冷压强≤2bar，复合块体样品整体冷却速率≥120℃/min。

9.本发明权利要求1中的制备方法也可用做如下改变：由步骤3得到的混合粉体也可用作焊丝的粉芯，可用于工件表面的耐磨层堆焊；由步骤3得到的混合粉体可与其它成型剂混合，通过3D打印成坯料，再利用真空烧结快冷后得到复合块体材料及产品；由步骤3得到的混合粉体经高压压制成致密坯料，再采用放电等离子体烧结法、微波烧结法等方法制备复合材料及产品(烧结完成后需进行快速冷却)。