[发明专利]一种多元WC基复合材料的合成及应用

说明书

一种多元WC基复合材料的合成及应用，其特征包括以下步骤：a、按质量百分比取纳米氧化钨、纳米氧化钴、纳米氧化钒、纳米氧化铬、纳米还原剂碳黑与多壁碳纳米管，经混合、干燥后，置于微波烧结炉中进行碳热还原，制得多元WC基复合材料。b、将步骤a所得复合材料加入少量液体石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结设备进行烧结，最终制得多元WC基硬质合金。该硬质合金致密度提高6‑22%，硬度（HRA）提高10‑20%，抗弯强度提高40‑90%。本发明具有生产效率高、能耗低、操作简便，为工业生产性能优异的硬质合金产品提供参考。

技术领域

本发明涉及一种多元WC基复合材料的合成及应用，属于纳米金属陶瓷复合粉体制备技术与应用领域。

背景技术

WC基硬质合金具有优异的耐热性、耐腐蚀性、高硬度和耐磨性，被广泛应用于刀具材料。该类合金材料通常以WC为硬质相，以Co为粘结相，通过粉末冶金方法合成。WC基硬质合金相较于高速钢，具有较高的硬度、耐磨性和红硬 性；相较于超硬材料，具有较高的韧性。此外，WC基硬质合金也可以用来制造钻头、齿轮刀具、铰刀等复杂刀具。其中，超细及纳米晶WC基硬质合金相对于普通WC基硬质合金的抗弯强度明显提高、硬度增大、耐磨性提高、刀具耐用度提高3~10倍。同时，硬质合金的抗热震性和抗氧化性改善显著，达到完全致密化所需的温度也进一步降低。超细晶硬质合金由于与加工材料的相互吸附–扩散作用小，在难加工材料、微电子工业、精密模具、医学等领域也得到了广泛的应用。因此，超细及纳米晶WC基硬质合金已成为当今硬质合金行业的发展热点之一。

随着现代工业行业技术的快速发展，对硬质合金的性能要求也越来越高，硬质合金中WC的晶粒尺寸越小，合金的综合力学性能越高。碳纳米管一维纳米材料，质量轻，有许多优异的力学性能，具有极高的强度、韧性及弹性模量。将碳纳米管作为增强相掺杂于多元WC基复合粉末中，应用碳纳米管的强韧性，加之纳米材料的优异性能，使硬质合金的强度显著提高。通过应用碳纳米管达到细化WC硬质合金晶粒的作用，同时协同碳纳米管本身的强度和纤维结构的拔出、桥接及引导裂纹弯曲、偏转等机制来提高WC基硬质合金的强度。此外，采用放电等离子烧结工艺，进一步有效抑制WC晶粒的长大，且降低烧结温度与烧结时间，提高生产效率，减少能耗，最终获得致密度高、晶粒细小、组织均匀、综合力学性能优异的多元WC基硬质合金产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多元WC基复合材料的合成及应用，以便更好的满足WC基复合材料在超细/纳米硬质合金的制造以及刀具领域的应用。本发明采用的碳热还原法，该方法所需设备简单，反应原料价格低廉，制备过程简便、生产效率高、能耗低，保证合成的多元WC基复合材料在粒度、分散性、颗粒形状等方面满足工业需求。

本发明的多元WC基纳米复合材料的合成方法包括以下步骤：

a、按质量百分比取纳米氧化钨、纳米氧化钴、纳米氧化钒、纳米氧化铬、纳米还原剂碳黑与多壁碳纳米管，经混合、干燥后，置于微波烧结炉中进行碳热还原，制得多元WC基复合材料。

b、将步骤a所得复合材料加入少量液体石蜡，经均匀混合后，采用放电等离子烧结设备进行烧结，最终制得多元WC基硬质合金。该硬质合金致密度提高6-22%，硬度（HRA）提高10-20%，抗弯强度提高40-90%。

本发明所述制备多元WC基复合材料的原料质量百分比分别为：纳米氧化钨70-76%，纳米氧化钴7-8%，纳米氧化钒0.3-0.4%，纳米氧化铬0.3-0.4%，纳米碳黑16-21%，多壁碳纳米管0.2-0.4%。

本发明所述的制备多元WC基复合材料的方法中，制备复合材料的微波烧结工艺在流动的惰性气体保护下进行，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为0.5-2h。

本发明所述的制备多元WC基复合材料的方法中，混合是在高能球磨机、滚动球磨机或研磨机中任意一种设备中进行。