一种微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法

摘要

一种微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法，包括下述步骤：步骤一：配料；步骤二：球磨混合，将配好的粉料放入球磨罐中进行球磨；步骤三：压制成型，将混合好的粉料在一定压力下制成压坯；步骤四：微波烧结前，将所得压坯及微波辅助加热材料放置于多晶莫来石纤维保温桶内，将保温桶放入微波烧结炉中；步骤五：微波烧结，炉腔内真空度抽至低于0.5Pa后，并充入高纯氩气保护，控制微波烧结炉的输出功率，以一定的升温速度、烧结温度、保温时间进行烧结，冷却后即获得理想的钢结硬质合金。本发明的技术效果是：工艺合理、操作方便、烧结周期短、能源消耗少、烧结所获得的TiB

说明书

技术领域

 本发明涉及一种制备硬质合金的方法，尤其涉及一种微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法。

背景技术

钢结硬质合金最早出现于二十世纪六十年代初期的美国。它是在合金钢的基础上均匀分布30-50%硬质颗粒，经过烧结而成，因而既具有像硬质合金那样的高硬度、高强度、高耐磨性，又具有合金钢的可冷热加工性能。近年来，钢结硬质合金作为一种新型工模具材料得到发展，同时它还可用作耐磨零件、机械零件和刃具等。目前，国产钢结硬质合金在生产应用上还很受限制，主要原因是受到制作该合金工艺的限制，因而产品稳定性差、耐用度不高。但是，钢基体的多样性和较低的价格也使得钢结硬质合金在航空和汽车工业中的应用日益受到重视。

TiB₂粉末是灰色或灰黑色的，具有六方(AlB2)的晶体结构。它的熔点是2980℃，有很高的硬度。二硼化钛在空气中抗氧化温度可达1000℃，在HCl和HF酸中稳定。二硼化钛主要用于制备复合陶瓷制品。由于其可抗熔融金属的腐蚀，可用于熔融金属坩锅和电解池电极的制造。TiB₂钢结硬质合金是TiB₂颗粒为硬质相，以钢作为粘结相，经粉末冶金方法制备而成的一类新型工程材料，最适宜在重载荷与高摩擦磨损的环境下工作，因此要求高强度、高耐磨性及足够的韧性。

微波烧结是利用微波电磁场中材料的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而实现烧结和致密化。与常规烧结相比具有很多优点，如烧结温度低、加热速度快、获得的材料致密性好等，同时微波烧结加速了材料的传质过程，从而能获得细晶粒材料，微波烧结技术因而被誉为“烧结技术的革命”，具有巨大发展潜力和研究价值。目前，有关微波烧结制备陶瓷材料研究报道很多，并且国内外微波烧结主要用于对陶瓷材料的烧结(如TiO₂、Al₂O₃等陶瓷烧结)，而微波烧结制备金属材料的研究尚处于探索阶段，如美国宾夕法尼亚州立大学的Dinesh Agrawal教授对纳米WC-Co进行了微波烧结研究，国内也只有中南大学和武汉理工大学这两所大学对微波烧结制备硬质合金有过研究报道，且都集中在WC-Co硬质合金的微波烧结研究，而微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金研究国内外未见报道。为此，本发明以TiB₂颗粒为增强相，铁粉为基体，纳米Y₂O₃掺杂改性，通过球磨、压制成型，用微波烧结技术制备纳米稀土改性钢结硬质合金。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法，微波烧结方法操作方便、烧结周期短、能源消耗少的，并且获得致密度高，晶粒细小，组织均匀，力学性能好的TiB₂钢结硬质合金。

本发明是这样来实现的，包括下述步骤：

步骤一：配料，将纯度大于99.99%、粒度小于50 nm的纳米Y₂O₃，纯度大于99.7%、粒度小于3.0μm的TiB₂粉，纯度大于99%、粒度小于38μm还原铁粉，纯度大于99. 5%、粒度小于3μm的羰基铁粉，Cr粉，Ni粉，石墨粉按一定质量百分比配料；

步骤二：球磨混合，将配好的粉料放入球磨罐中进行球磨；

步骤三：压制成型，将混合好的粉料在一定压力下制成压坯；

步骤四：微波烧结前，将所得压坯及微波辅助加热材料放置于多晶莫来石纤维保温桶内，将保温桶放入微波烧结炉中；

步骤五：微波烧结，炉腔内真空度抽至低于0.5 Pa后，并充入高纯氩气保护，控制微波烧结炉的输出功率，以一定的升温速度、烧结温度、保温时间进行烧结，冷却后即获得理想的钢结硬质合金。

所述步骤一所述配料质量百分比为0 ~ 40%TiB₂、0 ~ 1.0% Y₂O₃、1.5%Cr、1.5%Ni、0.6%C、Fe余量；余量Fe由为质量分数70%还原铁粉和30%羰基铁粉组成。

所述步骤二所述球磨装置为不锈钢球磨罐，球磨介质为无水酒精或丙酮，球料比6:1，转速150 ~ 300 r/min，时间6 ~12 h。

所述步骤三所述压制成型压力为200 ~ 500 MPa。

所述步骤四所述多晶莫来石纤维保温桶起保温作用，微波辅助加热材料为绿色SiC粉，加入量为100 ~ 300 g。

所述步骤五所述高纯氩气纯度为99.999%，微波烧结炉的输出功率0 ~ 3 KW。

所述步骤五所述微波烧结控制升温速度15 ~ 60℃/min，烧结温度1200 ~ 1400℃，保温时间10 ~ 30 min。

表1是微波烧结与常规烧结对比。从表中可以得出，微波烧结可以提高物体内温度分布的均匀性，缩短了加热、保温时间，降低了烧结温度，最终使烧结体具有细小均匀的晶粒组织，产品有更加优异的物理、力学性能。微波烧结技术具有与常规烧结方式截然不同的加热行为和温度梯度，避免常规加热中出现的被加热物体表面温度高、烧结驱动力损耗大等缺点，同时，微波烧结技术还具有对物相的选择性加热、在临界温度以上加热速度加快、微波加热区域易于控制以及烧结温度低、生产周期短、能源利用率高、安全无污染等优点，已成为快速制备高质量新材料和具有新性能的传统材料的重要技术手段。

表1 微波烧结与常规烧结对比

表2是稀土改性对微波烧结制备钢结硬质合金性能影响。有表可知，添加适量的稀土改性可以提高钢结硬质合金的致密度和力学性能，同时添加纳米稀土效果更优异。

表2 稀土改性对微波烧结制备钢结硬质合金性能影响

本发明的技术效果是：工艺合理、操作方便、烧结周期短、能源消耗少、烧结所获得的TiB₂钢结硬质合金性能好，致密度高，晶粒细小，组织均匀，适于工业化生产。

具体实施方式

实施方式一：

本实施方式微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法按以下步骤进行：步骤一：配料，将纯度大于99.99%、粒度小于50 nm的纳米Y₂O₃，纯度大于99.7%、粒度小于3.0μm的TiB₂粉，纯度大于99%、粒度小于38μm还原铁粉，纯度大于99. 5%、粒度小于3μm的羰基铁粉，Cr粉，Ni粉，石墨粉按一定质量百分比配料，具体配料质量百分比为40%TiB₂、1.0% Y₂O₃、1.5%Cr、1.5%Ni、0.6%C、Fe余量；余量Fe由为质量分数70%还原铁粉和30%羰基铁粉组成。

步骤二：球磨混合，将配好的粉料放入球磨罐中进行球磨，球磨装置为不锈钢球磨罐，球磨介质为无水酒精或丙酮，球料比6:1，转速300 r/min，时间12 h。

步骤三：压制成型，将混合好的粉料在500 MPa压力下制成压坯；

步骤四：微波烧结前，将所得压坯及微波辅助加热材料放置于多晶莫来石纤维保温桶内，将保温桶放入微波烧结炉中；多晶莫来石纤维保温桶起保温作用，微波辅助加热材料为绿色SiC粉，加入量为300 g。

步骤五：微波烧结，炉腔内真空度抽至低于0.5 Pa后，并充入高纯氩气保护，控制微波烧结炉的输出功率，以一定的升温速度、烧结温度、保温时间进行烧结，冷却后即获得理想的钢结硬质合金，高纯氩气纯度为99.999%，微波烧结炉的输出功率0 ~ 3 KW，所述微波烧结控制升温速度 60℃/min，烧结温度1400℃，保温时间30 min。

实施方式二：

本实施方式微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法按以下步骤进行：步骤一：配料，将纯度大于99.99%、粒度小于50 nm的纳米Y₂O₃，纯度大于99.7%、粒度小于3.0μm的TiB₂粉，纯度大于99%、粒度小于38μm还原铁粉，纯度大于99. 5%、粒度小于3μm的羰基铁粉，Cr粉，Ni粉，石墨粉按一定质量百分比配料，具体配料质量百分比为20%TiB₂、0.5% Y₂O₃、1.5%Cr、1.5%Ni、0.6%C、Fe余量；余量Fe由为质量分数70%还原铁粉和30%羰基铁粉组成。

步骤二：球磨混合，将配好的粉料放入球磨罐中进行球磨，球磨装置为不锈钢球磨罐，球磨介质为无水酒精或丙酮，球料比6:1，转速200 r/min，时间10 h。

步骤三：压制成型，将混合好的粉料在300 MPa压力下制成压坯；

步骤四：微波烧结前，将所得压坯及微波辅助加热材料放置于多晶莫来石纤维保温桶内，将保温桶放入微波烧结炉中；多晶莫来石纤维保温桶起保温作用，微波辅助加热材料为绿色SiC粉，加入量为200 g。

步骤五：微波烧结，炉腔内真空度抽至低于0.5 Pa后，并充入高纯氩气保护，控制微波烧结炉的输出功率，以一定的升温速度、烧结温度、保温时间进行烧结，冷却后即获得理想的钢结硬质合金，高纯氩气纯度为99.999%，微波烧结炉的输出功率0 ~ 2 KW，所述微波烧结控制升温速度40℃/min，烧结温度1300℃，保温时间20 min。

实施方式三：

本实施方式微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法按以下步骤进行：步骤一：配料，将纯度大于99.99%、粒度小于50 nm的纳米Y₂O₃，纯度大于99.7%、粒度小于3.0μm的TiB₂粉，纯度大于99%、粒度小于38μm还原铁粉，纯度大于99. 5%、粒度小于3μm的羰基铁粉，Cr粉，Ni粉，石墨粉按一定质量百分比配料，具体配料质量百分比为10%TiB₂、0 .1% Y₂O₃、1.5%Cr、1.5%Ni、0.6%C、Fe余量；余量Fe由为质量分数70%还原铁粉和30%羰基铁粉组成。

步骤二：球磨混合，将配好的粉料放入球磨罐中进行球磨，球磨装置为不锈钢球磨罐，球磨介质为无水酒精或丙酮，球料比6:1，转速150  r/min，时间6 h。

步骤三：压制成型，将混合好的粉料在200MPa压力下制成压坯；

步骤四：微波烧结前，将所得压坯及微波辅助加热材料放置于多晶莫来石纤维保温桶内，将保温桶放入微波烧结炉中；多晶莫来石纤维保温桶起保温作用，微波辅助加热材料为绿色SiC粉，加入量为100 g。

步骤五：微波烧结，炉腔内真空度抽至低于0.5 Pa后，并充入高纯氩气保护，控制微波烧结炉的输出功率，以一定的升温速度、烧结温度、保温时间进行烧结，冷却后即获得理想的钢结硬质合金，高纯氩气纯度为99.999%，微波烧结炉的输出功率0 ~ 1.5 KW，所述微波烧结控制升温速度15℃/min，烧结温度1200 ℃，保温时间10min。

实施方式四：

本实施方式常规烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法按以下步骤进行：步骤一：配料，将纯度大于99.99%、粒度小于50 nm的纳米Y₂O₃，纯度大于99.7%、粒度小于3.0μm的TiB₂粉，纯度大于99%、粒度小于38μm还原铁粉，纯度大于99. 5%、粒度小于3μm的羰基铁粉，Cr粉，Ni粉，石墨粉按一定质量百分比配料，具体配料质量百分比为40%TiB₂、1.0%Y₂O₃、1.5%Cr、1.5%Ni、0.6%C、Fe余量；余量Fe由为质量分数70%还原铁粉和30%羰基铁粉组成。

步骤二：球磨混合，将配好的粉料放入球磨罐中进行球磨，球磨装置为不锈钢球磨罐，球磨介质为无水酒精或丙酮，球料比6:1，转速300 r/min，时间12 h。

步骤三：压制成型，将混合好的粉料在500 MPa压力下制成压坯；

步骤四：常规烧结，炉腔内真空度抽至低于0.5 Pa后，并充入高纯氩气保护，控制烧结炉的输出功率，以一定的升温速度、烧结温度、保温时间进行烧结，冷却后即获得理想的钢结硬质合金，高纯氩气纯度为99.999%，所述烧结控制升温速度 20℃/min，烧结温度1450℃，保温时间120 min。

实施方式五：

本实施方式微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法按以下步骤进行：步骤一：配料，将纯度大于99.99%、粒度小于50 μm的微米Y₂O₃，纯度大于99.7%、粒度小于3.0μm的TiB₂粉，纯度大于99%、粒度小于38μm还原铁粉，纯度大于99. 5%、粒度小于3μm的羰基铁粉，Cr粉，Ni粉，石墨粉按一定质量百分比配料，具体配料质量百分比为40%TiB₂、0.5% Y₂O₃、1.5%Cr、1.5%Ni、0.6%C、Fe余量；余量Fe由为质量分数70%还原铁粉和30%羰基铁粉组成。

步骤二：球磨混合，将配好的粉料放入球磨罐中进行球磨，球磨装置为不锈钢球磨罐，球磨介质为无水酒精或丙酮，球料比6:1，转速300 r/min，时间12 h。

步骤三：压制成型，将混合好的粉料在500 MPa压力下制成压坯；

步骤四：微波烧结前，将所得压坯及微波辅助加热材料放置于多晶莫来石纤维保温桶内，将保温桶放入微波烧结炉中；多晶莫来石纤维保温桶起保温作用，微波辅助加热材料为绿色SiC粉，加入量为300 g。

步骤五：微波烧结，炉腔内真空度抽至低于0.5 Pa后，并充入高纯氩气保护，控制微波烧结炉的输出功率，以一定的升温速度、烧结温度、保温时间进行烧结，冷却后即获得理想的钢结硬质合金，高纯氩气纯度为99.999%，微波烧结炉的输出功率0 ~ 3 KW，所述微波烧结控制升温速度 60℃/min，烧结温度1400℃，保温时间20 min。

实施方式六：

本实施方式微波烧结制备纳米稀土改性钢结硬质合金的方法按以下步骤进行：步骤一：配料，将纯度大于99.7%、粒度小于3.0μm的TiB₂粉，纯度大于99%、粒度小于38μm还原铁粉，纯度大于99. 5%、粒度小于3μm的羰基铁粉，Cr粉，Ni粉，石墨粉按一定质量百分比配料，具体配料质量百分比为40%TiB₂、1.0% Y₂O₃、1.5%Cr、1.5%Ni、0.6%C、Fe余量；余量Fe由为质量分数70%还原铁粉和30%羰基铁粉组成。

步骤二：球磨混合，将配好的粉料放入球磨罐中进行球磨，球磨装置为不锈钢球磨罐，球磨介质为无水酒精或丙酮，球料比6:1，转速300 r/min，时间12 h。

步骤三：压制成型，将混合好的粉料在500 MPa压力下制成压坯；

步骤四：微波烧结前，将所得压坯及微波辅助加热材料放置于多晶莫来石纤维保温桶内，将保温桶放入微波烧结炉中；多晶莫来石纤维保温桶起保温作用，微波辅助加热材料为绿色SiC粉，加入量为300 g。

步骤五：微波烧结，炉腔内真空度抽至低于0.5 Pa后，并充入高纯氩气保护，控制微波烧结炉的输出功率，以一定的升温速度、烧结温度、保温时间进行烧结，冷却后即获得理想的钢结硬质合金，高纯氩气纯度为99.999%，微波烧结炉的输出功率0 ~ 3 KW，所述微波烧结控制升温速度 60℃/min，烧结温度1400℃，保温时间20 min。