热压烧结TiB2-TiC-WC超硬材料及制备方法

摘要

本发明涉及新材料技术领域，尤其是热压烧结TiB2-TiC-WC超硬材料及其制备方法。超硬先驱体组份配比(质量比％)为：TiB2-TiC 63％-84％；WC 10-25％；Ni 6％-12％。制备方法为：将按比例配制的TiB2、TiC、WC混合粉末装入缸式球磨机中，用硬质合金球磨24小时和用200目筛过筛；将其装入上下封闭的石墨容器，再放入高温烧结炉内；在升温速率50℃/min、温度1500℃-1650℃、保温40min-70min条件下合成TiB2-TiC-WC超硬材料。其合成的超硬材料的纯度高，细小的WC晶粒均匀的分布在TiB2-TiC晶粒的周围，WC晶粒的尺寸介于2μm-5μm，TiB2-TiC晶粒的尺寸介于5μm-15μm；合成的超硬材料的抗弯强度为866.2MPa，断裂韧度为5.6MPa.m0.5，硬度为21.32GPa。制备的材料适用于制作刀具用于切削加工高硬度的材料。本方法成本低，设备及工艺简单，易于产业化。

说明书

一、技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其是热压烧结TiB₂-TiC-WC超硬材料及制备方法。

二、背景技术

通过多元复合的方法可以提高TiB₂基陶瓷材料的烧结性能，降低其烧结温度，使其在较低的温度下可以达到致密化，并且适当的材料组分、晶粒生长抑制剂和烧结工艺可以使晶粒细化，进而提高材料的力学性能。TiB₂陶瓷具有高熔点(3225℃)、高弹性模量(529GPa)和高硬度(大约32GPa)、化学稳定性好、耐腐蚀性好，是一种典型的耐高温结构陶瓷，但其断裂韧度及抗弯强度低，使其应用途径受到了极大的限制。目前，通过加入添加相采用多元复合的方法来提高材料的性能，虽然大多数提高了抗弯强度及断裂韧度提高，但材料的硬度降低严重，导致该材料无法得到推广和应用。

当前，TiB₂基陶瓷材料的制备方法有：原位反应合成法、自蔓延高温合成技术、无压烧结和爆炸烧结等。传统制备工艺存在制备设备与工艺复杂，成本高，不利于产业化等不足之处。

三、发明内容

本发明的目的在于克服TiB₂基陶瓷材料在多元复合制备的过程中力学性能降低，及制备工艺复杂、成本高的缺陷，提供质量优良、成本低廉、含不同组分的TiB₂-TiC-WC超硬材料及工艺简单、成本低廉的制备方法。

本发明通过对烧结工艺的控制来协调材料之间的力学性能，研究出在保持材料高硬度的前提下，提高TiB₂基陶瓷材料的抗弯强度及断裂韧度的超硬度材料及其制备方法，制备的材料适用于制作刀具用于切削加工高硬度的材料。

本发明的基本构思是将TiB₂、TiC、WC、Ni粉末按照一定的质量比例混合，采用真空热压烧结法，在合适的升温速率、压力、生长温度和保温时间下，合成系列TiB₂-TiC-WC超硬材料。

合成TiB₂-TiC-WC超硬材料的混合粉末成分(质量比％)为：TiB2-TiC 63％-84％；WC10-25％；Ni 6％-12％。

制备方法的具体工艺过程为：

(1)将按比例配制的TiB₂、TiC、WC混合粉末装入缸式球磨机中，用硬质合金球磨24小时和用200目筛过筛；(2)将过筛后的配料装入上下封闭的石墨容器，再放入高温烧结炉内；(3)在升温速率50℃/min、压力45MPa、温度1500℃-1650℃、保温40min-70min条件下制备成TiB₂-TiC-WC超硬材料。

其合成的超硬材料的纯度高，细小的WC晶粒均匀的分布在TiB₂-TiC晶粒的周围，WC晶粒的尺寸介于2μm-5μm，TiB₂-TiC晶粒的尺寸介于5μm-15μm。合成的超硬材料的抗弯强度为866.2MPa，断裂韧度为5.6MPa.m0.5，硬度为21.32GPa。

本发明构思新颖，利用真空热压烧结法，在保持材料高硬度的前提下，提高了陶瓷材料的抗弯强度及断裂韧度，通过控制烧结工艺制备成含有不同组分下的TiB₂-TiC-WC超硬材料。材料质量高，成本低，设备及工艺简单，易于产业化。

四、附图说明

图1是热压烧结法制备的超硬材料TiB₂-TiC-WC的扫描电镜照片。

五、实施例：

按实施例附表中所列的组成成份，将混合粉末装入缸式球磨机中，用硬质合金球磨24小时和用200目筛过筛后，装入上下封闭的石墨容器中，孔径3-4mm，周长间隔5mm，均匀分布，在升温速率50℃/min、压力45MPa、温度1500℃-1650℃、保温40min-70min条件下制备而成。

实施例附表