一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法

摘要

本发明具体涉及一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法。所采用的技术方案是：以5～30wt％的二硼化钛粉末、20～70wt％的碳化钨粉末和10～60wt％的钴粉末为混合料；按磨球和混合料的质量比为(4～10)∶1，在球磨机中加入磨球和混合料，再加入球磨介质，球磨介质的液面高出磨球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨10～100小时，然后外加混合料2～15wt％的成型剂，在球磨机中混合1～30小时，经造粒得所需粉末；粉末压制成型后在1250～1500℃烧结1～10小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。本发明成本低、工艺简单，用该方法所制备的WCoB三元硼化物金属陶瓷材料具有较高的耐磨性和耐高温性能，能满足更高的服役条件。

说明书

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合材料技术领域。具体涉及一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

硬质合金是由难熔金属化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺所获得的金属陶瓷材料。目前常用的难熔金属化合物以碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)为主，粘结金属一般为钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)等过渡族元素。硬质合金最初主要是用于拉丝模和其它耐磨零件的制造，后来由于其性能不断提高，又在金属切削领域得到了广泛的应用。由于硬质合金具有高硬度、高强度、高耐磨性、强抗腐蚀性和热膨胀系数低等一系列优点，目前已大量应用在要求硬度高、抗磨损、耐高温的场合，如切削刀具、岩石钻、牙齿修复材料、矿石破碎机械等，是金属加工、矿山开采、石油钻探、国防工业等不可缺少的重要工具材料。在现有的工具材料中，按其耐磨性或使用时允许的切削速度，可以排列成下列顺序，即工具钢，钢结硬质合金，硬质合金，陶瓷，金刚石。尽管陶瓷、金刚石等切削工具有更高的硬度和耐磨性，允许有更高的切削速度和使用寿命，然而其使用强度低，抗冲击性差，加之刀具成本高，在使用上受到很大的限制。因此，硬质合金仍是当代应用最广泛的一种工具材料。

目前最广泛使用的WC-Co硬质合金，是以钴作为粘结相。由于这种粘结相在温度高于800℃时，将会急剧软化，从而使材料的硬度迅速下降，因此在温度高于800℃的工作环境下，不能采用WC-Co硬质合金材料。另一方面，WC-Co硬质合金的原料中使用了大量的贵金属钨，由于其密度较大(常温下，密度为15.63g/cm³)，由其制备的WC-Co硬质合金的密度高达13.40～15.30g/cm³，因而所制备的产品成本较高。

目前三元硼化物金属陶瓷中研究较广的是MoFeB金属陶瓷材料。该材料虽具有高硬度、高强度、密度低以及与钢的热膨胀系数相近等优良性能，但其耐磨性和耐高温性能不能满足更高的服役条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、工艺简单的WCoB三元硼化物金属陶瓷材料的制备方法。用该方法所制备的WCoB三元硼化物金属陶瓷材料具有较高的耐磨性和耐高温性能，能满足更高的服役条件。

为实现上述目的，发明所采用的技术方案是：以5～30wt％的二硼化钛粉末、20～70wt％的碳化钨粉末和10～60wt％的钴粉末为混合料；按磨球和混合料的质量比为(4～10)∶1，在球磨机中加入磨球和混合料，再加入球磨介质，球磨介质的液面高出磨球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨10～100小时，然后外加混合料2～15wt％的成型剂，在球磨机中混合1～30小时，经造粒得所需粉末；粉末压制成型后在1250～1500℃烧结1～10小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。

其中：球磨介质为无水乙醇、汽油、丙酮、己烷、四氯化碳、苯中的一种；成型剂为正构烷烃组成的液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种，橡胶为丁钠橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶中的一种；干燥方法为真空干燥、蒸汽干燥、喷雾干燥中的一种；压制成型或为模压成型或为等静压成型；烧结为真空烧结、热压烧结、热等静压烧结、保护气氛烧结、火花烧结、放电等离子体烧结中的一种；磨球为硬质合金球、钢球、刚玉球中的一种；造粒为球磨后的混合料干燥至衡重，过20～200目筛。

由于采用上述技术方案，本发明以二硼化钛(TiB₂)、碳化钨(WC)以及钴(Co)的粉末混合制备而成，工艺简单。由于该材料中加入了二硼化钛(TiB₂)，所制得材料的主要组成相为原位反应生成的WCoB三元硼化物。与目前广泛使用的WC-Co硬质合金相比，其主要优点在于：服役温度提高约300℃，可达1100℃。此外，由于WCoB三元硼化物金属陶瓷使用了密度较低的原材料二硼化钛(TiB₂)(常温下，密度为4.52g/cm³)，故所制备得到的WCoB三元硼化物金属陶瓷的密度较低(常温下，密度为8.20～13.40g/cm³)，因而可以大大降低产品成本。

本发明所制备的WCoB三元硼化物金属陶瓷材料，与MoFeB金属陶瓷材料相比具有更高的耐磨性和抗高温性能，其耐磨性提高一倍以上，耐高温性能提高约200℃。因此，WCoB三元硼化物金属陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和优良的抗高温性能，适用于替代部分在恶劣条件下服役的硬质合金以及制造具有更高寿命的机械零件；由于其优异的抗高温特性，也可用于制作高温喷嘴，蒸发舟、喷气发动机、燃气轮机、引擎部件、喷砂嘴、高温坩埚、电极、触头等。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对本发明保护范围的限制：

实施例1：

一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法：以25～30wt％的二硼化钛粉末、20～30wt％的碳化钨粉末和42～53wt％的钴粉末为混合料；按硬质合金球和混合料的质量比为(4～5)∶1，在球磨机中加入硬质合金球和混合料，再加入无水乙醇，无水乙醇的液面高出硬质合金球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨10～15小时，然后外加混合料2～5wt％的液体石蜡，在球磨机中混合1～5小时，球磨后的混合料干燥至衡重，过20～200目筛得所需粉末；粉末压制成型后在1250～1300℃烧结6～10小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。

实施例2：

一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法：以23～26wt％的二硼化钛粉末、64～66wt％的碳化钨粉末和10～13wt％的钴粉末为混合料；按钢球和混合料的质量比为(5～6)∶1，在球磨机中加入钢球和混合料，再加入汽油，汽油的液面高出钢球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨15～20小时，然后外加混合料5～8wt％的硬脂酸锌，在球磨机中混合5～8小时，球磨后的混合料干燥至衡重，过20～200目筛得所需粉末；粉末压制成型后在1300～1350℃烧结5～8小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。

实施例3：

一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法：以21～23wt％的二硼化钛粉末、58～64wt％的碳化钨粉末和13～21wt％的钴粉末为混合料；按刚玉球和混合料的质量比为(6～7)∶1，在球磨机中加入刚玉球和混合料，再加入无水乙醇，无水乙醇的液面高出刚玉球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨20～30小时，然后外加混合料8～10wt％的液体石蜡，在球磨机中混合8～10小时，球磨后的混合料干燥至衡重，过20～200目筛得所需粉末；粉末压制成型后在1350～1400℃烧结3.5～6小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。

实施例4：

一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法：以17～21wt％的二硼化钛粉末、47～58wt％的碳化钨粉末和21～36wt％的钴粉末为混合料；按硬质合金球和混合料的质量比为(7～8)∶1，在球磨机中加入硬质合金球和混合料，再加入丙酮，丙酮的液面高出硬质合金球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨30～45小时，然后外加混合料10～13wt％的聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液，在球磨机中混合10～15小时，球磨后的混合料干燥至衡重，过20～200目筛得所需粉末；粉末压制成型后在1390～1430℃烧结2～5小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。

实施例5：

一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法：以13～17wt％的二硼化钛粉末、39～47wt％的碳化钨粉末和36～47wt％的钴粉末为混合料；按钢球和混合料的质量比为(8～9)∶1，在球磨机中加入钢球和混合料，再加入己烷，己烷的液面高出钢球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨45～65小时，然后外加混合料12～15wt％的聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液，在球磨机中混合15～20小时，球磨后的混合料干燥至衡重，过20～200目筛得所需粉末；粉末压制成型后在1420～1450℃烧结1.5～4.5小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。

实施例6：

一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法：以5～14wt％的二硼化钛粉末、30～39wt％的碳化钨粉末和47～60wt％的钴粉末为混合料；按硬质合金球和混合料的质量比为(9～10)∶1，在球磨机中加入硬质合金球和混合料，再加入苯，苯的液面高出硬质合金球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨65～85小时，然后外加混合料3～6wt％的顺丁橡胶汽油溶液，在球磨机中混合20～25小时，球磨后的混合料干燥至衡重，过20～200目筛得所需粉末；粉末压制成型后在1430～1460℃烧结1.5～4小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。

实施例7：

一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法：以10～17wt％的二硼化钛粉末、65～70wt％的碳化钨粉末和17～24wt％的钴粉末为混合料；按刚玉球和混合料的质量比为(5.5～6.5)∶1，在球磨机中加入刚玉球和混合料，再加入四氯化碳，四氯化碳的液面高出硬质合金球和混合料层5～30mm；经球磨机湿磨85～100小时，然后外加混合料4～8wt％的丁钠橡胶汽油溶液，在球磨机中混合25～30小时，球磨后的混合料干燥至衡重，过20～200目筛得所需粉末；粉末压制成型后在1450～1500℃烧结1～3小时，即得WCoB三元硼化物金属陶瓷材料。

本具体实施方式由二硼化钛(TiB₂)、碳化钨(WC)以及钴(Co)的粉末混合制备而成，工艺简单。所制得材料的主要组成相为原位反应生成的WCoB三元硼化物。与目前广泛使用的WC-Co硬质合金相比，其主要优点在于：服役温度提高约300℃，可达1100℃。此外，由于WCoB三元硼化物金属陶瓷使用了密度较低的原材料二硼化钛(TiB₂)(常温下，密度为4.52g/cm³)，故所制备得到的WCoB三元硼化物金属陶瓷的密度较低(常温下，密度为8.20～13.40g/cm³)，因而可以大大降低产品成本。

本发明所制备的WCoB三元硼化物金属陶瓷材料，与MoFeB金属陶瓷材料相比具有更高的耐磨性和抗高温性能，其耐磨性提高一倍以上，耐高温性能提高约200℃。因此，WCoB三元硼化物金属陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和优良的抗高温性能，适用于替代部分在恶劣条件下服役的硬质合金以及制造具有更高寿命的机械零件。