本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域，具體涉及一種新型碳化鎢復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
WC-Co硬質(zhì)合金，是一種常見的、重要的硬質(zhì)合金種類(YG系列)，廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代刀具材料、耐磨、耐腐蝕和耐高溫材料領(lǐng)域，有現(xiàn)代工業(yè)的牙齒之稱。純WC材料很難燒結(jié)致密，即使燒結(jié)致密，燒結(jié)溫度也往往在2000℃以上，如此高的燒結(jié)溫度對(duì)設(shè)備本身也是一種損害，并且燒結(jié)后斷裂韌性只有4MPa·m1/2。Co作為WC燒結(jié)時(shí)的一種粘結(jié)相，WC有非常好的潤濕性，同時(shí)能使WC燒結(jié)溫度降低到1400℃，燒結(jié)時(shí)Co成為液相，大大增加WC顆粒擴(kuò)散速率，使燒結(jié)致密，燒結(jié)后碳化鎢復(fù)合材料通常斷裂韌性為12MPa·m1/2。然而，中國的Co資源極其匱乏，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。隨著各國對(duì)一些戰(zhàn)略性資源的限制出口，國際Co價(jià)格上漲的動(dòng)力十分強(qiáng)勁，Co原料的供應(yīng)也存在很多不穩(wěn)定因素。同時(shí)Co作為一種粘結(jié)劑，降低了WC材料的硬度，耐腐蝕性和耐高溫性，限制了WC材料在某些極端服役環(huán)境下的應(yīng)用。因此，尋找一種常見的來源廣泛的，并且在WC中不形成粘結(jié)相的材料來替代Co，擺脫對(duì)國外的依賴，同時(shí)提高WC類硬質(zhì)合金的硬度和高溫性能就顯得非常重要。目前在對(duì)無粘結(jié)相WC材料的研究中，添加陶瓷相是一種思路，陶瓷材料由于具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)良性能而受到重視，但是由于脆性問題(韌性、塑性低，強(qiáng)度不高，性能穩(wěn)定性和可控性差)使其應(yīng)用相當(dāng)受限。
本發(fā)明擬提供一種新型碳化鎢復(fù)合材料及其制備方法，選擇新的材料代替Co，制備得到高強(qiáng)度、高耐磨性、低粘結(jié)度的碳化鎢復(fù)合材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：現(xiàn)有碳化鎢復(fù)合材料難以同時(shí)滿足高強(qiáng)度、高耐磨性和低粘度的要求的問題。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案為：提供一種新型碳化鎢復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明的新型碳化鎢復(fù)合材料，其組成包括：按重量份數(shù)計(jì)，WC 80-82份，Al2O3 4-6份，ZrO2 5-8份，鈷2-4份、二氧化鍺3-6份，鎢粉3-5份。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料中，其組成還包括，占其余原料總量1-3％的鉬粉。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料中，所述的WC的粒徑為100-150um。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料中，所述的鈷的粒徑為50-100um。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料中，所述的鎢粉的純度為99.9％。
本發(fā)明還提供一種上述新型碳化鎢復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合，并加熱至500～600℃，保溫15～20min，使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物，再通入氬氣還原，并加熱至650～750℃，保溫10-20min，制得鎢和碳化鎢的復(fù)合粉末；
b、將Al2O3，ZrO2，鈷和二氧化鍺按比例稱好后，加入步驟a中所述的復(fù)合粉末中，再加入100-150份的乙醇或水，混合球磨15-30min，形成混合漿料；
c、將混合漿料干燥至水分或乙醇的量≤1％，置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400-1500℃，壓力為40-50MPa，保溫時(shí)間為10-15min。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料的制備方法中，步驟c中所述的燒結(jié)溫度要在3-5min內(nèi)由室溫升至1400-1500℃。
本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明制備的WC復(fù)合材料是一種由Al2O3和ZrO2陶瓷增韌的WC復(fù)合材料，具有很高的硬度、耐磨性和抗氧化性能，以及較好的韌性，適合作為刀具、鉆頭或模具材料；由于Al2O3和ZrO2之間、WC和ZrO2之間可形成固溶體，促進(jìn)復(fù)合材料的致密化，使得該三元復(fù)合材料在1400℃燒結(jié)時(shí)近乎全致密，實(shí)現(xiàn)了在較低溫度下制取致密的無粘結(jié)相WC復(fù)合材料，節(jié)能高效；本發(fā)明還先將WC表面鍍上鎢粉鍍層，能防止粘結(jié)相的產(chǎn)生，有效的提高了WC復(fù)合材料的耐磨性和韌性。本發(fā)明方法操作簡單，原料易得，成本低廉，適宜推廣使用。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種新型碳化鎢復(fù)合材料，其組成包括：按重量份數(shù)計(jì)，WC 80-82份，Al2O3 4-6份，ZrO2 5-8份，鈷2-4份、二氧化鍺3-6份，鎢粉3-5份。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料中，其組成還包括，占其余原料總量1-3％的鉬粉。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料中，所述的WC的粒徑為100-150um。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料中，所述的鈷的粒徑為50-100um。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料中，所述的鎢粉的純度為99.9％。
本發(fā)明還提供一種上述新型碳化鎢復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合，并加熱至500～600℃，保溫15～20min，使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物，再通入氬氣還原，并加熱至650～750℃，保溫10-20min，制得鎢和碳化鎢的復(fù)合粉末；
b、將Al2O3，ZrO2，鈷和二氧化鍺按比例稱好后，加入步驟a中所述的復(fù)合粉末中，再加入100-150份的乙醇或水，混合球磨15-30min，形成混合漿料；
c、將混合漿料干燥至水分或乙醇的量≤1％，置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400-1500℃，壓力為40-50MPa，保溫時(shí)間為10-15min。
其中，上述新型碳化鎢復(fù)合材料的制備方法中，步驟c中所述的燒結(jié)溫度要在3-5min內(nèi)由室溫升至1400-1500℃。
本發(fā)明的新型碳化鎢復(fù)合材料中，以碳化鎢為主要原料，配合使用陶瓷材料Al2O3，ZrO2，三者形成穩(wěn)定的三相結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密，增強(qiáng)了復(fù)合材料的耐磨性，并且不影響碳化鎢材料本身的硬度；同時(shí)，還添加了鈷、二氧化鍺、鎢粉等金屬材料，還可以添加一定量的鉬粉，增強(qiáng)復(fù)合材料的耐高溫性能和抗氧化性能，制備的復(fù)合材料耐高溫性好、耐磨性強(qiáng)，還避免了粘結(jié)相的形成，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。
在制備工藝上，本發(fā)明先將鎢粉鍍于碳化鎢顆粒的表面，防止了粘結(jié)相的產(chǎn)生，有效的穩(wěn)定了碳化鎢的硬度和耐磨性。
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的解釋說明，但不表示將本發(fā)明的保護(hù)范圍限制在實(shí)施例所述范圍內(nèi)。
實(shí)施例1用本發(fā)明方法制備碳化鎢復(fù)合材料
所述原料組成為：WC 80份，Al2O3 4份，ZrO2 5份，鈷2份、二氧化鍺3份，鎢粉3份。
制備步驟如下：
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合，并加熱至500℃，保溫15min，使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物，再通入氬氣還原，并加熱至650℃，保溫10min，制得鎢和碳化鎢的復(fù)合粉末；
b、將Al2O3，ZrO2，鈷和二氧化鍺按比例稱好后，加入步驟a中所述的復(fù)合粉末中，再加入100份的水，混合球磨15min，形成混合漿料；
c、將混合漿料干燥至水分或乙醇的量≤1％，置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400℃，壓力為40MPa，保溫時(shí)間為10min。
實(shí)施例2用本發(fā)明方法制備碳化鎢復(fù)合材料
所述原料組成為：WC 82份，Al2O3 6份，ZrO2 8份，鈷4份、二氧化鍺3份，鎢粉3份。
制備步驟如下：
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合，并加熱至600℃，保溫20min，使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物，再通入氬氣還原，并加熱至750℃，保溫20min，制得鎢和碳化鎢的復(fù)合粉末；
b、將Al2O3，ZrO2，鈷和二氧化鍺按比例稱好后，加入步驟a中所述的復(fù)合粉末中，再加入150份的乙醇，混合球磨30min，形成混合漿料；
c、將混合漿料干燥至水分或乙醇的量≤1％，置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500℃，壓力為50MPa，保溫時(shí)間為15min。
實(shí)施例3用本發(fā)明方法制備碳化鎢復(fù)合材料
所述原料組成為：WC 80份，Al2O3 6份，ZrO2 8份，鈷4份、二氧化鍺3份，鎢粉5份，鉬粉2份。
制備步驟如下：
a、將WC粉末和鎢粉按比例混合，并加熱至550℃，保溫18min，使得碳化鎢表面脫碳形成鎢和氧化鎢的混合物，再通入氬氣還原，并加熱至700℃，保溫15min，制得鎢和碳化鎢的復(fù)合粉末；
b、將Al2O3，ZrO2，鈷，鉬粉和二氧化鍺按比例稱好后，加入步驟a中所述的復(fù)合粉末中，再加入120份的水，混合球磨20min，形成混合漿料；
c、將混合漿料干燥至水分或乙醇的量≤1％，置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1450℃，壓力為45MPa，保溫時(shí)間為13min。
實(shí)施例4用本發(fā)明方法制備碳化鎢復(fù)合材料
所述原料組成為：WC 80份，Al2O3 6份，ZrO2 5份，鈷4份、二氧化鍺6份，鎢粉5份。
制備步驟如下：
a、將WC粉末、鎢粉、Al2O3，ZrO2，鈷和二氧化鍺按比例稱好后，加入150份的乙醇，混合球磨20min，形成混合漿料；
b、將混合漿料干燥至水分或乙醇的量≤1％，置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400℃，壓力為50MPa，保溫時(shí)間為15min。
將實(shí)施例中制備得到的各復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)定，得到如下表1所示的結(jié)果。
表1不同碳化鎢復(fù)合材料的性能表
由實(shí)施例可知，采用本發(fā)明的原料配比和生產(chǎn)工藝相結(jié)合，能制備得到結(jié)構(gòu)致密、硬度高、耐磨性好的碳化鎢復(fù)合材料，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。