一种碳化钨铝基硬质材料及其制备方法与流程

本发明涉及硬质材料，尤其涉及一种碳化钨铝基硬质材料及其制备方法。

背景技术：

1、传统的硬质材料是以高硬度难熔的金属碳化物粉末为主体，以过渡金属作为粘结相，通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质材料具有优异的力学性能，被广泛应用于切削、钻孔和采矿等领域。金属粘结相虽然提高了硬质材料的致密性，提高了材料的强度，但会使硬质材料的硬度下降。

2、为了保证硬质材料的硬度，近年来研发了一种新型硬质材料碳化钨铝材料，采用铝原子替代钨原子而形成替代式固溶体，省略粘结相以保证材料硬度的同时可以显著提高碳化钨材料的强度。例如现有技术cn111718196a中提供了一种碳化钨铝-碳化钛硬质材料的制备方法，该硬质材料的密度可达到98.3％，显微硬度可达23.2gpa，弯曲强度可达到1482mpa，但是该硬质材料的硬度和强度仍然不能满足实际应用的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳化钨铝基硬质材料及其制备方法。本发明提供的碳化钨铝基硬质材料兼具高硬度和高强韧性。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种碳化钨铝基硬质材料制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将钨铝合金粉、硬质填料、锆粉和碳粉进行球磨混合，得到混合粉末；

5、(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末与成型剂混料后进行冷压成型，得到坯体；

6、(3)将所述步骤(2)得到的坯体进行预烧结，得到前驱体；

7、(4)将所述步骤(3)得到的前驱体进行高温高压烧结，得到碳化钨铝基硬质材料；

8、所述步骤(4)中高温高压烧结的压力为3～6gpa。

9、优选的，所述步骤(1)中的钨铝合金粉、纳米氮化硼粉、金刚石粉、锆粉和碳粉的质量比为(20～120):(1～5):1:(1～8)。

10、优选的，所述步骤(1)中钨铝合金中钨和铝的质量比为1:1。

11、优选的，所述步骤(1)中硬质填料为纳米氮化硼粉和金刚石粉中的一种或两种。

12、优选的，所述步骤(1)中的球磨混合的转速为200～500r/min，球磨混合的时间为12～24h，球磨混合的球料比为(4～10)：1。

13、优选的，所述步骤(2)中的混合粉末与成型剂的质量比为(95～99):(1～5)。

14、优选的，所述步骤(2)中的冷压成型的压力为20～100mpa。

15、优选的，所述步骤(3)中的预烧结的温度为500～900℃，预烧结的时间为30～90min。

16、优选的，所述步骤(4)中的高温高压烧结的温度为1100～1500℃，高温高压烧结的时间为2～10min。

17、本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的碳化钨铝基硬质材料，包括碳化钨铝基体以及分布于所述碳化钨铝基体中的增强相；所述增强相包括氮化硼、金刚石和碳化锆。

18、本发明提供了一种碳化钨铝基硬质材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将钨铝合金粉、硬质填料、锆粉和碳粉进行球磨混合，得到混合粉末；(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末与成型剂混料后进行冷压成型，得到坯体；(3)将所述步骤(2)得到的坯体进行预烧结，得到前驱体；(4)将所述步骤(3)得到的前驱体进行高温高压烧结，得到碳化钨铝基硬质材料；所述步骤(4)中高温高压烧结的压力为3～6gpa。本发明提供的制备方法以钨铝合金粉、硬质填料、锆粉和碳粉为原料进行原位碳化，制备得到的硬质材料中硬质填料和碳化锆作为增强相，在硬质材料受到外力时能够承担更多的载荷，减轻基体相碳化钨铝的负担，改善硬质材料的整体承载能力，提高硬质材料的强度和硬度；同时增强相可以使材料内部裂纹偏移和桥接，增加裂纹的扩展路径，提高材料的韧性；在微观尺度上，硬质填料和碳化锆可以阻碍位错移动，实现位错强化，提高材料的强度；同时采用高温高压烧结并控制烧结压力，可以有效提高硬质材料的致密度，从而使硬质材料兼具高硬度和高强韧性。实施例的结果显示，本发明提供的硬质材料的相对密度为99.3～99.4％，显微硬度为23.5～24.5gpa，弯曲强度为1502～1680mpa。

技术特征：

1.一种碳化钨铝基硬质材料的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的钨铝合金粉、硬质填料、锆粉和碳粉的质量比为(20～120):(1～5):1:(1～8)。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中钨铝合金中钨和铝的质量比为1:1。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中硬质填料为纳米氮化硼粉和金刚石粉中的一种或两种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的球磨混合的转速为200～500r/min，球磨混合的时间为12～24h，球磨混合的球料比为(4～10)：1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的混合粉末与成型剂的质量比为(95～99):(1～5)。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的冷压成型的压力为20～100mpa。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的预烧结的温度为500～900℃，预烧结的时间为30～90min。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的高温高压烧结的温度为1100～1500℃，高温高压烧结的时间为2～10min。

10.权利要求1～9任意一项所述制备方法制备得到的碳化钨铝基硬质材料，包括碳化钨铝基体以及分布于所述碳化钨铝基体中的增强相；所述增强相包括氮化硼、金刚石和碳化锆。

技术总结
本发明提供了一种碳化钨铝基硬质材料及其制备方法，属于硬质材料技术领域。本发明提供的制备方法通过控制原料组分使制备得到的硬质材料中的增强相能够承担更多的载荷，减轻基体的负担，改善硬质材料的整体承载能力，提高硬质材料的强度和硬度；同时可以使材料内部裂纹偏移和桥接，增加裂纹的扩展路径，提高材料的韧性；在微观尺度上，增强相可以实现位错强化，提高材料的强度；同时采用高温高压烧结并控制烧结压力，可以有效提高硬质材料的致密度，从而使硬质材料兼具高硬度和高强韧性。实施例的结果显示，本发明提供的硬质材料的相对密度为99.3～99.4％，显微硬度为23.5～24.5GPa，弯曲强度为1502～1680MPa。

技术研发人员：莫培程,陈家荣,王培训,李凯,潘晓毅,张俊,陈超
受保护的技术使用者：中国有色桂林矿产地质研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23