CN107116222B - 一种新型抛丸机叶片镶嵌材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型抛丸机叶片镶嵌材料及其制备方法，由下述按重量份计的组分组成：碳化钨粉100份，石墨烯0.8‑1.0份，钴8‑10份，铜1.8‑2.2份，氮化钛2‑4份，铝粉1.5‑2.2份，与传统的叶片相比，本发明所述的叶片镶嵌材料，以碳化钨为基体，按照一定的配比加入石墨烯，在此配比下两者有机的结合，石墨烯的加入极大限度的阻碍了晶粒长大，使组织细化，且烧结体中较大的层片组织减少，不均匀化程度降低，而又不会使材料因石墨烯的过量加入使强度降低，大大增加了材料的强度。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金新材料技术领域，具体涉及一种抛丸机叶片镶嵌材料及其制备方法，属于金属冶金中的金属复合材料领域。
背景技术
碳化钨是一种由钨和碳组成的化合物，为黑色六方晶体，有金属光泽，硬度与金刚石相近，为电、热的良好导体。从1893年以来，德国科学家就利用三氧化钨和碳在电炉中一起加热到高温的方法制取出碳化钨，并试图利用其高熔点、高硬度等特性来制取拉丝模等，以便取代金刚石材料。但由于碳化钨脆性大，易开裂和韧性低等原因，一直未能得到工业应用。进入二十世纪二十年代，德国科学家Karl Schroter研究发现纯碳化钨不能适应拉拔过程中所形成的激烈的应力变化，只有把低熔点金属加入WC中才能在不降低硬度的条件下，使毛坯具有一定的韧性。Schroter于1923年首先提出了用粉末冶金的方法，即将碳化钨与少量的铁族金属（铁、镍、钴）混合，然后压制成型并在高于1300℃温度下于氢气中烧结来生产硬度合金。碳化钨粉常应用于硬质合金生产材料。而石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、韧性极强，导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
抛丸机叶片工作在一个承受持续弹丸的冲击力及磨损的工作环境中，因此在要求叶片具有良好耐磨性能的同时，又要求其有一定的耐冲击性。随着材料技术的发展，叶片经历了普通白口铸铁，镍硬白口铸铁，高铬铸铁三个阶段。目前，抛丸机叶片常用的材料为高铬铸铁，该材料具有高韧性，高强度，且具有抗高温和抗腐蚀性能。但是高铬铸铁耐磨件铬含量高，铸造缺陷高，在冲击摩擦磨损情况下很容易从铸造缺陷部位层层剥落，造成材料的磨损失效，且叶片失效后，需要将整个叶片都换掉，浪费安装时间，并且造成浪费。
发明内容
本发明要解决的问题就是：提供一种新型叶片镶嵌材料及其制备方法。
为了解决以上问题，本发明采取的技术方案是：
一种新型抛丸机叶片镶嵌材料,由下述按重量份计的组分组成: 碳化钨粉100重量份，石墨烯0.8-1.0份，钴8-10份，铜1.8-2.2份，氮化钛2-4份，铝粉1.5-2.2份。
优化的，上述碳化钨粉的平均粒度为60纳米。
优化的，上述石墨烯的厚度为2-3纳米。
优化的，上述叶片镶嵌材料由下述按重量份计的组分组成: 碳化钨粉100份，石墨烯0.9份，钴9份，铜2.0份，氮化钛3.5份，铝粉2.0份。
作为本发明的另一个发明目的，上述一种新型叶片镶嵌材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）混料：先将50%的碳化钨装入球磨机中，然后再将石墨烯粉、钴粉、铜粉、氮化钛粉、铝粉加入到球磨机中进行球磨，球磨1小时后再将剩余的碳化钨装入球磨机中，继续球磨1小时；球磨均匀后过200-400目筛，放置12小时，得到碳化钨基混合粉末；
（2）压制：将步骤1）中得到的混合粉末装到模具中，进行压制成型；
（3）烧结：压制成型的生胚放入网带烧结炉中，埋在氧化铝粉中并在空气中加热到450℃，保温30分钟进行预氧化处理，在粉末颗粒表面获得厚度为(5-15)*10-5mm的氧化层；然后在低于-20℃的露点的氢气氛中烧结，最后冷却出炉，完成工件；
（4）进行检测；当强度大于89.9HRC，硬度大于490MPa，冲击韧性大于0.35且表面无明显毛刺、飞边等缺陷后，方可使用。
进一步的，上述步骤（1）中的研磨石为刚玉研磨石，球磨时的球料比为5：1，球磨时间为2小时，筛网粒径为300目。
进一步的，上述步骤（2）中采用双向压制，压力为500-600Mpa。
进一步的，上述步骤（3）中烧结方式为热等静压烧结，烧结温度为1400-1500℃，压力为500-600Mpa，90-120分钟。
优化的，上述步骤（3）中烧结方式为热等静压烧结，烧结温度为1460℃，压力为500-600Mpa，110分钟。
碳化钨本身就是一种硬度极大的黑色六方晶体，硬度与金刚石相近，具有极佳的强度以及耐磨性，但是冲击韧性不足；而粒度在纳米级的石墨烯韧性极好，它的加入，能有效改善碳化钨的耐冲击性。
石墨烯在石墨烯面的强度比金刚石还要高，韧性也极好，并且熔点超过3000℃，烧结时也不会熔化，而是弥散在碳化钨基体中，抑制形核长大，阻碍晶粒粗化，强化基体，有效改善基体耐磨性。
本发明的有益效果是：与传统的叶片相比，本发明所述的叶片镶嵌材料，以碳化钨为基体，按照一定的配比加入石墨烯，在此配比下两者有机的结合，石墨烯的加入极大限度的阻碍了晶粒长大，使组织细化，且烧结体中较大的层片组织减少，不均匀化程度降低，而又不会使材料因石墨烯的过量加入使强度降低，大大增加了材料的强度，并辅以钴粉、铜粉、氮化钛粉、铝粉，经过混合、压制、烧结后得到一块镶嵌材料，镶嵌在抛丸器叶片本体上，采用了粉末冶金技术提高了抛丸器叶片硬度、耐磨性、耐冲击性能并提高了生产效率。而烧结工艺中对于生胚的预氧化处理及温度和压力的控制有利于基体组织与石墨烯的充分结合，进一步增加了材料的性能。
具体实施方式
下面通过实施例，详细描述本发明所述的粉末冶金件的原料配比，该配比尤其适用于制作抛丸器叶片镶嵌材料。
叶片镶嵌材料的制备方法是，其步骤为：
1）混料：先将50%的碳化钨装入球磨机中，然后再将石墨烯粉、钴粉、铜粉、氮化钛粉、铝粉加入到球磨机中用刚玉研磨石进行球磨，球磨1小时后再将剩余的碳化钨装入球磨机中，继续球磨1小时，球磨时的球料比为5：1，球磨均匀后过筛（粒度300目），放置12小时，得到碳化钨基混合粉末；
2）压制：将步骤（1）中得到的混合粉末装到模具中，采用双向压制进行压制成型，压力为500-600Mpa；
3）烧结：压制成型的生胚放入网带烧结炉中，埋在氧化铝粉中并在空气中加热到450℃，保温30分钟进行预氧化处理，在粉末颗粒表面获得一定厚度的氧化层；然后在氢气氛（低于-20℃的露点）中烧结，烧结温度为1460℃，压力为500-600Mpa，110分钟。最后冷却出炉，完成工件；
4）对产品进行性能测试。
实施例1：
碳化钨粉400g，钴36g，铜8g，氮化钛14g，铝粉8g，按上述工艺制备。
实施例2：
碳化钨粉400g，石墨烯3.2g，钴36g，铜8g，氮化钛14g，铝粉8g，按上述工艺制备。
实施例3
碳化钨粉400g，石墨烯3.6 g，钴36g，铜8g，氮化钛14g，铝粉8g，按上述工艺制备。
实施例4
碳化钨粉400g，石墨烯4g，钴36g, 铜8g，氮化钛14g，铝粉8g，按上述工艺制备。
实施例5
与实施例3相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤（1）混料中，碳化钨是一次性全部加入的。
实施例6
与实施例3相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤（3）烧结步骤中，烧结温度：1400℃。
实施例7
与实施例3相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤（3）烧结步骤中，烧结温度：1500℃。
实施例8
与实施例3相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤（3）烧结步骤中，烧结温度：1550℃。
实施例9
与实施例3相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤（3）烧结步骤中，烧结时间80分钟。
实施例10
与实施例3相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤（3）烧结步骤中，烧结时间130分钟。
实施例1-10硬度、抗压强度、冲击韧性对比表如下表所示：
由上表可以看出，石墨烯的加入极大限度的阻碍了晶粒长大，使组织细化，镶嵌材料的各项力学性能随着石墨烯的加入量增加逐渐改善，且加入石墨烯后，烧结体中较大的层片组织减少，不均匀化程度降低，这也使得各项力学性能提高，但当石墨烯的量超到100：0.9时再继续加入石墨烯，各项力学性能开始下降，这是因为石墨烯的量过多，不能完全和基体反应，聚集的石墨烯降低了材料强度，且碳含量过高使耐磨性大大降低，这些因素造成材料性能下降，可见碳化钨与石墨烯在一定配比下可显著提高叶片硬度、抗压强度，冲击韧性。
而烧结温度过高和时间过长，将降低材料的强度、硬度及冲击韧性等力学性能，甚至出现制品过烧缺陷；烧结温度过低或时间过短，材料会因欠烧使空隙率过大、致密度过低，从而引起性能下降。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述方法、配方、特征及精神所作的均等变化与修饰，均应包括在本发明的权利要求范围内。
Claims (7)
1.一种新型抛丸机叶片镶嵌材料,其特征在于:由下述按重量份计的组分组成: 碳化钨粉100重量份，石墨烯0.8-1.0份，钴8-10份，铜1.8-2.2份，氮化钛2-4份，铝粉1.5-2.2份；
所述碳化钨粉的平均粒度为60纳米；所述石墨烯的厚度为2-3纳米。
2.根据权利要求1所述的一种新型抛丸机叶片镶嵌材料，其特征在于：由下述按重量份计的组分组成: 碳化钨粉100份，石墨烯0.9份，钴9份，铜2.0份，氮化钛3.5份，铝粉2.0份。
3.根据权利要求1所述的一种新型抛丸机叶片镶嵌材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）混料：先将50%的碳化钨装入球磨机中，然后再将石墨烯粉、钴粉、铜粉、氮化钛粉、铝粉加入到球磨机中进行球磨，球磨1小时后再将剩余的碳化钨装入球磨机中，继续球磨1小时；球磨均匀后过200-400目筛，放置12小时，得到碳化钨基混合粉末；
（2）压制：将步骤1）中得到的混合粉末装到模具中，进行压制成型；
（3）烧结：压制成型的生胚放入网带烧结炉中，埋在氧化铝粉中并在空气中加热到450℃，保温30分钟进行预氧化处理，在粉末颗粒表面获得厚度为(5-15)*10-5mm的氧化层；然后在低于-20℃的露点的氢气氛中烧结，最后冷却出炉，完成工件；
（4）进行检测；当强度大于89.9HRC，硬度大于490MPa，冲击韧性大于0.35且表面无明显毛刺、飞边缺陷后，方可使用。
4.根据权利要求3所述的一种新型抛丸机叶片镶嵌材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的球磨介质为刚玉球，球磨时的球料比为5：1，球磨时间为2小时，筛网粒径为300目。
5.根据权利要求3所述的一种新型抛丸机叶片镶嵌材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中采用双向压制，压力为500-600Mpa。
6.根据权利要求3所述的一种新型抛丸机叶片镶嵌材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中烧结方式为热等静压烧结，烧结温度为1400-1500℃，压力为500-600Mpa，烧结时间为90-120分钟。
7.根据权利要求6所述的一种新型抛丸机叶片镶嵌材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中烧结方式为热等静压烧结，烧结温度为1460℃，烧结时间为110分钟。
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