一种硬质合金及其制备工艺
文献发布时间：2023-06-19 18:27:32
技术领域
本发明涉及硬质合金材料，具体而言，涉及一种硬质合金及其制备工艺。
背景技术
硬质合金被誉为“工业的牙齿”，对普通硬质合金而言，要提高产品的硬度、耐磨性和耐蚀性，需要增加WC的含量；若要提高产品的强度、韧性和加工性能，则需增加Co的含量，因而这在提高硬度和强度之间产生了矛盾。
研究结果表明，当合金中WC晶粒尺寸为亚微米级时，随着WC晶粒的细化，合金的硬度、强度、韧性、耐磨性能都会得到提高，且达到完全致密化所需的温度也越低；作为WC晶粒尺寸只有0.2～0.5μm的超细晶硬质合金，能够在提高硬度的前提下，显著地提高合金强度而获得“双高”特性；超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质合金相比，硬度可提高2(HRA)以上，抗弯强度可提高600～800MPa。此外，超细硬质合金与普通硬质合金相比还具有热导率高，耐腐蚀性强等特点，因而在电子行业的微型钻头、金属材料刀具、医学器械、精密模具等领域都有广泛的应用，深受硬质合金界的关注。
然而，生产超细晶WC硬质合金中最大的困难就是抑制烧结过程中WC晶粒的长大。为达到抑制晶粒的长大的目的，常在合金中添加少量的如VC、Cr
发明内容
本发明用于解决当前存在的晶粒抑制剂难以抑制晶粒长大的技术问题。
基于上述技术问题，本发明通过如下技术方案实现：
具体地，
本发明提供了一种硬质合金的制备工艺，包括如下步骤：
以生物炭负载钒和铬形成的碳系载体，再同石墨烯、WC、Co共混后，形成混合料材；
混合料材再经球磨、造粒、成型、烧结，得到硬质合金。
本发明以负载有钒和铬的生物炭为碳系载体，由于生物炭具有形态可控、易于分散的特性，使得碳系载体再与WC、Co球磨的过程中，进一步分散开来。同时，本发明还加入了石墨烯，石墨烯的加入不仅能够利用其高硬度、高韧性的特性，使其充分发挥；同时，由于石墨烯中二维片层的界面限域性能能够用以控制生物炭的尺寸，再结合前述的协同作用下，使得得到的碳系载体尺寸小；再利用后续的烧结过程中，实现碳系载体的炭化，进而能够降低碳化钒、碳化铬的尺寸，同时再加上石墨烯的纳米增强作用，进一步提高了得到的碳化钒和碳化铬的特性。使得，得到的碳化钒和碳化铬的晶粒抑制剂，在提升前述其在硬质合金中的均布性的同时，实现了硬质合金中晶粒长大的控制。
本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本发明提供的硬质合金，其有效改善了晶粒抑制剂在硬质合金中的均布性，还实现了硬质合金中晶粒长大的控制。同时，本发明提供的此种工艺，便于操作，容易实现放大化生产。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供了一种硬质合金及其制备工艺。
具体地，包括：
其是以生物炭负载钒和铬形成的碳系载体，再同石墨烯、WC、Co共混后，形成混合料材；
混合料材再经球磨、造粒、成型、烧结，得到硬质合金。
在本发明中，硬质合金的各原料按重量百分比计，包括碳系载体0.5～10％、WC 75～90％、Co 3～15％、石墨烯0.5～2％。
本发明中，石墨烯的平均厚度＜3nm，片层尺寸＜5μm。
在本发明中，碳系载体是以生物炭负载钒和铬，再经过滤、干燥得到的。生物炭是生物质经烧结得到的。具体地，
前述中，同时，生物质烧结得到生物炭的过程中，生物质需经常规的活化处理，生物质选用秸秆即可。
在本发明中，基于以生物炭负载钒和铬的碳系载体，其具体的操作方法为，钒盐、铬盐溶解于水中，形成盐溶液，同时将生物质经超声处理分散于盐溶液中，得到处理液，再将处理液经过20～48h的振荡处理，再经过滤、烘干、焙烧得到碳系载体。
前述中，钒盐来源于氯化钒、硝酸钒中的至少一种；铬盐来源于氯化铬、硝酸铬中的至少一种。处理液中，钒离子的浓度为0.5～1.5mol/L，优选为0.8～1.2mol/L，进一步优选地，也可单独地选用0.8mol/L、0.9mol/L、1.0mol/L、1.1mol/L、1.2mol/L。处理液中，铬离子的浓度为0.5～1.5mol/L，优选为0.8～1.2mol/L，进一步优选地，也可单独地选用0.8mol/L、0.9mol/L、1.0mol/L、1.1mol/L、1.2mol/L。
前述中，烘干采用真空烘干箱处理即可。
前述中，焙烧的参数为150～200℃，时间为3～6h。
前述中，处理液中的生物炭在振荡过程中，使得生物炭浸渍至交换平衡。振荡为间歇振荡器。
本发明中，球磨可选用振动球磨、滚动球磨等方式。球磨的工艺条件为，转速为150～300r/min，时间为2～5h，球磨介质为无水乙醇。
本发明中，在造粒过程中，加入成型剂，成型剂为石蜡，石蜡的加入量占混合料材质量的1～5％。
本发明中，烧结的工艺参数为，烧结温度为1300～1550℃。
<实施例>
硬质合金的制备工艺，包括如下步骤：
(1)碳系载体的制备
以秸秆为生物质，经硫酸活化处理后，再经常规的水热碳化或高温热解得到生物炭；
以0.1mol/L的氯化铬溶液和0.1mol/L的氯化钒溶液按体积比为1:1的比例共混，加入生物炭进行超声分散，得到分散液；再将此分散液用间歇振荡器进行20～48h，使得生物炭浸渍至交换平衡。结束后，经过滤、真空烘干箱处理后，再经焙烧180℃、5h的焙烧处理，得到碳系载体。
(2)硬质合金的制备
按重量百分比计，称取碳系载体8.5％、WC 85％、Co 5％、石墨烯1.5％进行预混，再以无水乙醇为介质，经球磨处理，转速为200r/min，时间为3h后，得到混合料材；再经筛分、干燥后；再向混合料材中加入1.5％质量的石蜡，再经成型处理后，于400℃脱除石蜡，脱除后，升温至1400℃进行真空烧结，烧结压力为4～5MPa，保温时间为1.5h。
经工艺得到的硬质合金，WC晶粒度0.35μm，微观组织均匀无晶粒异常长大，抗弯强度3760MPa。
硬质合金的制备工艺，包括如下步骤：
(1)碳系载体的制备
以秸秆为生物质，经硫酸活化处理后，再经常规的水热碳化或高温热解得到生物炭；
以0.1mol/L的氯化铬溶液和0.1mol/L的氯化钒溶液按体积比为1:2的比例共混，加入生物炭进行超声分散，得到分散液；再将此分散液用间歇振荡器进行20～48h，使得生物炭浸渍至交换平衡。结束后，经过滤、真空烘干箱处理后，再经焙烧180℃、5h的焙烧处理，得到碳系载体。
(2)硬质合金的制备
按重量百分比计，称取碳系载体5％、WC 88％、Co 5％、石墨烯2％进行预混，再以无水乙醇为介质，经球磨处理，转速为200r/min，时间为3h后，得到混合料材；再经筛分、干燥后；再向混合料材中加入1.5％质量的石蜡，再经成型处理后，于400℃脱除石蜡，脱除后，升温至1400℃进行真空烧结，烧结压力为4～5MPa，保温时间为1.5h。
经工艺得到的硬质合金，WC晶粒度0.4μm，微观组织均匀无晶粒异常长大，抗弯强度3720MPa。
硬质合金的制备工艺，包括如下步骤：
(1)碳系载体的制备
以秸秆为生物质，经硫酸活化处理后，再经常规的水热碳化或高温热解得到生物炭；
以0.1mol/L的氯化铬溶液和0.1mol/L的氯化钒溶液按体积比为1:1的比例共混，加入生物炭进行超声分散，得到分散液；再将此分散液用间歇振荡器进行20～48h，使得生物炭浸渍至交换平衡。结束后，经过滤、真空烘干箱处理后，再经焙烧180℃、5h的焙烧处理，得到碳系载体。
(2)硬质合金的制备
按重量百分比计，称取碳系载体4％、WC 85％、Co 9％、石墨烯2％进行预混，再以无水乙醇为介质，经球磨处理，转速为200r/min，时间为3h后，得到混合料材；再经筛分、干燥后；再向混合料材中加入1.5％质量的石蜡，再经成型处理后，于400℃脱除石蜡，脱除后，升温至1350℃进行真空烧结，烧结压力为4～5MPa，保温时间为1.5h。
经工艺得到的硬质合金，WC晶粒度0.5μm，微观组织均匀无晶粒异常长大，抗弯强度3680MPa。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。