一种渗碳的四硼化钨超硬材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超硬材料技术领域，尤其涉及一种渗碳的四硼化钨超硬材料及其制备方法。

背景技术

超硬材料（维氏硬度大于40 GPa）具有诸多用途，如高性能切削工具和耐磨材料。现代工业对高性能、高稳定性和更经济实惠的超硬材料的需求日益增长，在苛刻条件下合成的传统超硬材料的局限性暴露无遗。因此，寻找一种合成条件温和、经济实惠的超硬材料不仅具有重要的科学意义，而且具有重要的应用价值。

受金刚石的超硬度和超不可压缩性的启发，超硬材料的设计方法主要有两种：一是由硼、碳、氮或氧等轻元素形成强共价键，如c-BN、B

人们对过渡金属-轻元素化合物进行了广泛的探索，其中最先发现具有超硬特性的材料是过渡金属硼化物——二硼化合铼（ReB

为了探索硬度更高的WB

目前国内专利对于超硬WB

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种性能良好的渗碳的四硼化钨超硬材料。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该渗碳的四硼化钨超硬材料的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种渗碳的四硼化钨超硬材料，其特征在于：该材料是由WB

如上所述的一种渗碳的四硼化钨超硬材料的制备方法，其特征在于：按摩尔比，将不同粒径的10~12.5 %的B粉末和87.5~90 %的W粉末在磨球为WC球的行星式高能球磨机中进行混合，混合均匀后得到混合粉末；所述混合粉末装入石墨模具，并在粉末柱体上下两侧分别放入两片0.5 mm石墨片，然后使用放电等离子烧结炉（SPS）进行粉末烧结，烧结完成后自然冷却至室温，即得WB

所述B粉末的纯度大于99 %，粒径为<500 nm；所述W粉末的纯度大于99 %，粒径为<500 nm。

所述球磨混合的条件是指球料比为4：1，转速为250 r/min，混合时间为4 h。

所述放电等离子烧结的条件是指升温速率为100 ℃/min，真空度为15~20 Pa，温度为1600~1800 ℃，压力为30 MPa，保压时间为2~10 min。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明利用SPS烧结特点，通过高能脉冲将碳元素轰击进入原料中，与原料中过量的硼生成具有超高硬度的

2、本发明WB

3、本发明WB

4、本发明制备设备简单，制备工艺温和，经济实用，在耐磨材料和机械加工领域具有重要的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明WB

图2为本发明WB

图3为本发明WB

图4为本发明WB

具体实施方式

一种渗碳的四硼化钨超硬材料，该材料是由WB

其制备方法：按摩尔比，将不同粒径的10~12.5 %的B粉末和87.5~90 %的W粉末在磨球为WC球的行星式高能球磨机中进行混合，球磨混合的条件是指球料比为4：1，转速为250 r/min，混合时间为4 h。混合均匀后得到混合粉末；混合粉末装入石墨模具，并在粉末柱体上下两侧分别放入两片0.5 mm石墨片，然后使用放电等离子烧结炉（SPS）进行粉末烧结，放电等离子烧结的条件是指升温速率为100 ℃/min，真空度为15~20 Pa，温度为1600~1800 ℃，压力为30 MPa，保压时间为2~10 min。烧结完成后自然冷却至室温，即得WB

石墨模具中粉体上方的石墨垫片为碳源，在烧结过程中通过高能电子束将碳元素轰击、渗入材料。

其中：B粉末的纯度大于99 %，粒径为<500 nm；W粉末的纯度大于99 %，粒径为<500nm。

实施例 一种渗碳的四硼化钨超硬材料（WB

步骤1，混料：

按摩尔比，钨粉：硼粉=1：9配料，混合均匀，得到混合粉体；其中钨粉纯度大于99%，粒径为<500 nm；硼粉纯度大于99 %，粒径为<500 nm。

步骤2，装料：

将圆柱形石墨模具的内壁表面贴附石墨纸后，将混合粉体装入模具中，并在粉体上下放入两层石墨纸。将静压后的填料模具放置于SPS烧结炉。

步骤3，渗碳烧结：

(1)将SPS烧结炉抽真空，保持真空度在10~15 Pa，以100 ℃/min的升温速率升温至1600~1800 ℃，然后在压力30 MPa，保温保压烧制2~10 min；

(2)保温结束后立即卸压至5 MPa，自然冷却至室温，制得WB

步骤4，制成品：将块体表层的石墨纸除去，然后使用金刚石沙盘与金刚石研磨膏机械抛光，抛光样品表面粗糙度为0.025μm。

对比例 一种WB

步骤1，混料：

按摩尔比，钨粉：硼粉=1：9配料，混合均匀，得到混合粉体；其中钨粉纯度大于99%，粒径为1μm；硼粉纯度大于99%，粒径为1μm。

步骤2，装料：

将圆柱形石墨模具的内壁表面贴附石墨纸后，将混合粉体装入模具中，并在粉体上下放入两层石墨纸。将静压后的填料模具放置于SPS烧结炉。

步骤3，渗碳烧结：

(1)将SPS烧结炉抽真空，保持真空度在10~15 Pa，以100 ℃/min的升温速率升温至1600~1800 ℃，然后在压力30 MPa，保温保压烧制2~10 min；

(2)保温结束后立即卸压至5 MPa，自然冷却至室温，制得WB

步骤4，制成品：将块体表层的石墨纸除去，然后使用金刚石沙盘与金刚石研磨膏机械抛光，抛光样品表面粗糙度为0.025μm。

【WB

对制备WB

STEM表征WB

【材料的力学性能】

1、硬度测试：

测试方法：采用维氏显微硬度计测试WB

测试结果：WB

WB

2、断裂韧性测试：

测试方法：采用单边预裂纹梁法测试WB

测试结果：WB

WB