[发明专利]一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法

说明书

一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法，属于材料技术领域。通过利用强流脉冲电子束和低温回火，对硬质合金表层进行显微结构调控，强流脉冲电子束辐照的表层微区在满足纳米亚稳组织形成的热动力学和结晶学条件，而温度低于烧结温度的回火，使得固态相变仅仅发生于硬质合金表层的亚稳态组织中。制备时，(1)对硬质合金块体表面进行打磨后，清洗风干；(2)对硬质合金块体进行强流脉冲电子束表面辐照处理；(3)将辐照后的硬质合金块体置于真空管式炉中进行低温回火。本发明的工艺简单，可靠性高，操作方便；硬质合金表层晶粒快速熔凝及固态相变后得到的纳米碳化钨复合结构，这种稳定的纤维状纳米结构起到强化硬质合金表面的作用。

技术领域

本发明属于材料技术领域，提供一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法。

背景技术

硬质合金因其良好的力学性能，如高硬度、高强度、耐磨性好等，被制成刀具、耐磨元件而广泛应用于工业生产的各个领域。它是用粉末冶金方法制备的一种复合材料，主要由硬质相(难熔金属碳化物)和粘结相(金属)组成。研究表明，硬质合金中，硬质相晶粒度对其力学性能有着重要的影响，细化硬质相晶粒可以同时提高硬质合金材料的硬度、强度和耐磨性能。为制备细晶硬质合金，目前已发展了高能球磨法、热化学合成法、等离子体法和机械合金化等方法制备纳米粉末，或者在烧结过程中添加限制硬质相长大的金属抑制剂。分析硬质合金材料的用途，通过改变硬质合金表层结构可以有效提高其表面强度和耐磨性能。因此，有科技人员开始致力研发梯度结构(即表层细晶、基体粗晶)的硬质合金。然而现有的梯度硬质合金制备工艺还不完善，工艺流程复杂，影响因素多，生产设备维护费用高。

根据钨-碳相图可知，钨碳化合物主要有三种，WC、W₂C、WC_1-x。其中WC最稳定，作为常见硬质合金的硬质相；WC_1-x是一种温度在2516℃以上才稳定的亚稳相，低于该温度会发生分解形成WC和W₂C。超高速冷却的非平衡凝固热力学分析表明，在熔体的冷却速度达到10⁸℃/s时，可以在室温获得纳米尺寸的WC_1-x。强流脉冲电子束的辐照可以使块体硬质合金表层瞬间熔化并快速冷却，冷却速度10^8-10℃/s可以满足前述非平衡凝固条件，可以获得亚稳态纳米WC_1-x。对该组织适当加温回火可以获得稳定的纳米WC表层，实现梯度结构的硬质合金制备。

发明内容

本发明是首先利用强流脉冲电子束辐照硬质合金块体表面，使其表层晶粒熔化和超高速非平衡凝固过程形成亚稳态纳米WC_1-x；然后对辐照过的硬质合金块体进行适当低温回火，实现制备具有纳米WC表层的梯度结构硬质合金。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法，该制备方法采用强流脉冲电子束和低温回火处理在硬质合金块体表层原位制备纤维状的纳米碳化钨复合结构，且不改变硬质合金块体内部的结构和性能，所得纤维状的纳米碳化钨复合结构表层组织细密、硬度强度高，特殊的纤维状结构也有利于提高硬质合金表面的耐磨损性能，具体包括如下步骤：

(1)硬质合金块体的预处理

采用金刚石磨盘对硬质合金块体样品进行表面打磨，然后依次用酒精和去离子水超声振荡清洗5-15min并冷风吹干，得到硬质合金块体。

所述的打磨具体为：依次选用180#、360#、800#、1200#金刚石磨盘打磨，以获得较为平整的表面，有利于电子束能量更均匀地作用在硬质合金表层微区。

(2)利用强流脉冲电子束辐照诱导表层纳米亚稳组织