CN107663607A

CN107663607A - 一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN107663607A
Application number: CN201710819270.9A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 刘咏; 张明阳; 刘彬; 王京师
Original assignee: Central South University
Current assignee: Jiangxi Yongtai Powder Metallurgy Co.,Ltd.
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN107663607B

Abstract

本发明涉及一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料及其制备方法和应用，属于高熵合金应用技术领域。本发明所述高熵合金以胎体的形式把持磨料颗粒。所述高熵合金以原子百分比计由下述组分组成：Fe10％～30％；Co10％～30％；Cr10％～30％；Ni10％～30％；Cu10％～30％；Mo0～8％。其制备方法为：按设计组分配取给高熵合金原料粉末后，采用气雾化法和机械合金化法制备的高熵合金粉末，然后结合SPS工艺，得到性能优良的复合材料。所述复合材料特别适用于用作刀头。本发明首次将高熵合金作为胎体用于把持磨料颗粒；其组分设计合理，制备工艺科学、可控所得产品性能优良，便于大规模的工业化应用。

Description

一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料及其制备方法和应用，属于高熵合金应用技术领域。

背景技术

金刚石锯片具有硬度高，耐磨性好的特点，是各类金刚石工具类制品中用量最大的一类产品，广泛应用于切割石材、耐火材料、陶瓷、混凝土和玻璃等。目前，金刚石锯片主要存在的问题是，在切割过程中，刀头中的金刚石颗粒受到剧烈冲击，包镶金刚石的部分胎体被破坏，造成金刚石磨粒脱落而失去切割效果。特别是在高摩擦、高温环境下，现有的金刚石锯片由于高温性能急剧降低，导致使用寿命缩短甚至突然报废。因此，如何增强金刚石刀头胎体对金刚石的把持力和刀头的高温稳定性能，使金刚石在切割中不会过早脱落，从而提高金刚石工具的切割效率和工作寿命是行业内的公认难题。

多组元高熵合金是一个新发展起来的合金体系，该合金由5种或5种以上的元素组成。多元素组成使得合金具有较高的熵值和原子不易扩散的特性，容易获得热稳定性高的固溶体相和纳米结构，具有高强度和硬度，良好的耐磨性能，优异的热稳定性和耐腐蚀性能，其性能远优于传统合金，在学术研究和巨大的工业发展具有很大的潜力。

长期以来，用金属做金刚石刀头胎体材料基本有两种途径，一种是用金属单质粉末混合做胎体材料；另一种是用合金粉末掺杂其他金属单质粉末做胎体材料。但是这两者都有缺陷，前者由于不同金属的熔点、硬度等性质方面的差异，使得胎体材料的性质不好控制；后者合金粉末无法综合所有金属的优异性质，实际使用过程中由于添加其它金属粉末而使得胎体材料组分复杂，影响其使用性能。目前已经有采用机械合金化方法制备了高熵合金粉体,如中国专利CNl033290404A、CNl04841930A和CNl0540l038A采用球磨法制备了高熵合金粉体。但是单一机械合金化方法制备的粉体氧含量高、成分不均匀、且粉末易团聚，不利于与金刚石微粒的均匀混合。气雾化是制备金属粉末的主要方法之一，具有氧含量低、成分均匀、粉末粒度可控、污染少等特点。本发明将气雾化制粉与机械合金化有机结合，使高纯净的雾化粉末在烧结成形之前得以活化处理，以提供更好的粉末烧结性能。采用机械合金化活化处理气雾化快速凝固技术制备的高熵合金粉末材料目前尚未见报道。

通常情况下，包镶式金刚石刀头都是将金刚石颗粒与胎体结合剂按一定质量比例等参数直接混合，然后经过热压成型，也可先经冷压成型再经热压成型，总之，目前大多数包镶式金刚石锯片都是通过热压烧结这一工艺制得。热压只适用于烧结形状规则的样品，虽然具有操作方法简单，成本低廉，可实现在低投入的情况下批量化生产等诸多优势，但是也无法回避其能耗高、劳动密集、石墨模具易氧化损耗等致命缺点，所以通常被用于中低档整体式烧结锯片中，不适用于高熵合金粉末的烧结成形。

放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering,简称SPS)，是一种快速、节能、环保的新型粉末烧结技术。该技术融等离子活化、热压和电阻加热为一体，在加压粉体粒子间直接通入高频脉冲电流，由火花放电瞬间产生的等离子体进行加热，因而具有升降温速度快、烧结温度低、烧结时间短、烧结体晶粒均匀细小等优点。现已应用于难熔金属材料、陶瓷、功能材料及复合材料的制备。其能量消耗相对于传统热压烧结和热等静压烧结，只有前者的1/5-1/3，因此对实现优质高效、低耗低成本的材料制备、加工具有重要意义。尤其是其快速升降温的特点可以大幅减少奥斯特瓦尔德熟化效应，适用于高熵合金粉末的烧结成形。

发明内容

本发明首次尝试了将高熵合金用于制备高熵合金把持磨料颗粒的复合材料。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；所述高熵合金以胎体的形式把持磨料颗粒。所述高熵合金把持磨料颗粒的复合材料中磨料颗粒镶嵌于高熵合金胎体中。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；所述高熵合金以原子百分比计由下述组分组成：

Fe 10％～30％；

Co 10％～30％；

Cr 10％～30％；

Ni 10％～30％；

Cu 10％～30％；

Mo 0～8％。

作为优选方案，本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；所述高熵合金中，以原子数计，Fe：Co：Cr：Ni：Cu＝1:1:1:1:1。

作为优选方案，本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；所述磨料颗粒选自金刚石、陶瓷颗粒。所述陶瓷颗粒为耐磨陶瓷颗粒。所述耐磨陶瓷颗粒优选为碳化硅颗粒、刚玉颗粒、碳氮无机化合物颗粒的至少一种。

作为优选方案，本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；所述磨料颗粒占复合材料总质量的2～10％。

作为优选方案，本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；所述磨料颗粒的粒径优选为100～150um。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，包括下述步骤：

步骤一

按设计组分配取Fe源、Co源、Cr源、Ni源、Cu源、Mo源；将配取的Fe源、Co源、Cr源、Ni源、Cu源、Mo源加热至熔化后，进行气雾化制粉来得到高熵合金粉末；

步骤二

将步骤一所制备的高熵合金粉末，置于球磨机中，进行球磨，得到机械合金化-活化处理后的高熵合金粉末；

步骤三

按设计组分配取磨料颗粒和步骤二所制备的机械合金化-活化处理后的高熵合金粉末，并混合均匀；然后采用放电等离子烧结工艺，制得高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；所述放电等离子烧结工艺的条件为：烧结温度700～1000℃、保温时间180～1200s、烧结压力20～40MPa、升温速率40～100℃/min、炉内气压10^-3～10^-1Pa。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，步骤一中，所述Fe源优选为单质Fe，Co源优选为单质Co，Cr源优选为单质Cr，Ni源优选为单质Ni，Cu源优选为单质Cu，Mo源优选为单质Mo。在工业化应用时，Fe源、Co源、Cr源、Ni源、Cu源、Mo源的纯度均大于等于99.9wt％。

在工业化应用时，任何形态的Fe源、Co源、Cr源、Ni源、Cu源、Mo源均可用于本发明。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，步骤一中，将配取的Fe源、Co源、Cr源、Ni源、Cu源、Mo源加热至熔化，混合均匀后，以氮气或氩气作为雾化介质，在2～2.5atm压力下制备高熵合金粉末。

作为优选方案，本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，步骤一中所制备的高熵合金粉末，粒径优选为45～75um。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，步骤二中，球磨时间为5～20h，球磨转速为100～300r/min，球料比5：1～15：1。本通过真空熔炼惰性气体雾化法和机械合金化获得，活化后的高熵合金粉末，该粉末粉末的热稳定性好，颗粒形貌为不规则片状，且颗粒尺寸均匀细小，压制性能良好。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，步骤二中，球磨过程不可添加磨料；如果添加会对球磨桶和球体造成过度磨损，从而引入过量杂质，影响胎体粉末成分比例。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，步骤二所得机械合金化-活化处理后的高熵合金粉末的平均粒径为10-20微米。

本发明所设计和制备的高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的抗弯强度达到1300～1400MPa，硬度达到HV500～630，致密度达到97～99％。

本发明一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的应用，包括将所述高熵合金把持磨料颗粒的复合材料用作刀头。在应用时，本发明设计和制备的刀头可以用于切割高硬度、难切割的物料。

本发明以高熵合金作为胎体材料与磨料(如金刚石、刚玉等其他耐磨陶瓷)进行烧结，既可以简化组分又可以满足金属胎体材料的使用要求，凭借高熵合金的优异性能，可以提高刀头的抗弯强度、耐冲击和耐磨性能，并且增强对磨料的把持力，有非常大的潜力与良好的应用前景。

发明的优点和积极效果

本发明相对现有技术，具有如下的优点及有益效果：

(1)本发明选择使用真空熔炼惰性气体雾化法和机械合金化制备的高熵合金配方粉末，此合金粉末为单质FCC相，其具有良好的热稳定性，颗粒形貌较不规则，颗粒尺寸均匀细小，压制性能良好，克服了机械合金化法制备的粉末易氧化、成分不均匀和易团聚的缺点。

(2)高熵合金材料具有高强度和硬度、良好的耐磨性能和优异的热稳定性，对磨料颗粒(如金刚石)具有良好的把持力。以高熵合金材料作为胎体材料，克服了传统的金属胎体材料对磨料的把持力欠佳，耐磨性差，高温性差和使用寿命短的缺点。

(3)本发明采用采用等离子放电烧结技术对高熵合金粉末和磨料颗粒进行快速烧结成型，获得了磨料颗粒均匀分布、磨料颗粒与高熵合金基本界面结合良好，高熵合金晶粒细小均匀的组织。烧结后的刀头材料抗弯强度达到1300～1400MPa，硬度达到HV500～630，致密度达到97～99％。与现有的热压成型工艺相比，本发明的放电等离子烧结工艺可有效的降低能耗，减少石墨模具的氧化损耗，对实现优质低耗的金刚石锯片刀头制备具有重要意义。

附图说明

附图1为机械合金化活化后的FeCoCrNiCuMo_0.1高熵合金粉末的XRD图谱。

附图2为机械合金化活化后的FeCoCrNiCuMo_0.1高熵合金粉末的SEM形貌图。

附图3为SPS烧结后的FeCoCrNiCuMo_0.1高熵合金刀头的SEM组织图。

附图4为SPS烧结高熵合金刀头锯片。

结合附图1、附图2可以看出，粉末完全是简单固溶体结构的高熵合金粉。

从附图3可以看出，图中黑色部分为金刚石颗粒，灰白色部分为高熵合金胎体，金刚石颗粒与胎体结合良好。

从附图4可以看出，所制备的高熵合金刀头锯片表面质量优良。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程。本发明制备的高熵合金刀头具有高强度与高致密特点，制备的高熵合金刀头材料抗弯强度达到1300～1400MPa，硬度达到HV500～630、优选为HV530～630，致密度达到97～99％。

实施例1：

制备包镶质量比为5％的金刚石的FeCoCrNiCuMo_0.1的高熵合金刀头：1)制备FeCoCrNiCuMo_0.1的高熵合金配方粉，原材料采用高纯Fe、高纯Co、高纯Cr、高纯Ni、高纯Cu和高纯Mo等块体金属材料，Fe、Co、Cr、Ni、Cu和Mo的原子百分比为1：1：1：1：1：0.1；在1500℃下熔化成熔体，熔体在2MPa压力下雾化快速凝固，筛分后得到45～75um的高熵合金粉末，合金粉末在球料比为10：1，转速为200r/min条件下球磨10h进行活化处理。2)按照质量比为95：5分别称量高熵合金粉末和金刚石磨粒(磨粒的粒度为100微米)，混合均匀，然后在放电等离子烧结炉中烧结成型，烧结温度为T₁＝850℃，升温速率为v₁＝60℃/min，保温保压时间为t₁＝480s，施加压强为P₁＝35MPa，真空度为P₂＝10^-3Pa。烧结后的刀头材料抗弯强度达到1350MPa，硬度达到HV590，致密度达到98.1％。

实施例2：

制备包镶质量比为2％的金刚石的FeCoCrNiCuMo_0.1的高熵合金刀头：1)制备FeCoCrNiCuMo_0.1的高熵合金配方粉，原材料采用高纯Fe、高纯Co、高纯Cr、高纯Ni、高纯Cu和高纯Mo等块体金属材料，Fe、Co、Cr、Ni、Cu和Mo的原子百分比为1：1：1：1：1：0.1；在1500℃下熔化成熔体，熔体在2.2MPa压力下雾化快速凝固，筛分后得到45～75um的高熵合金粉末，合金粉末在球料比为10：1，转速为200r/min条件下球磨10h进行活化处理。2)按照质量比为98：2分别称量高熵合金粉末和金刚石磨粒(磨粒的粒度为100微米)，混合均匀，然后在放电等离子烧结炉中烧结成型，烧结温度为T1＝900℃，升温速率为v1＝60℃/min，保温保压时间为t1＝480s，施加压强为P1＝35MPa，真空度为P2＝10^-3Pa。烧结后的刀头材料抗弯强度达到1400MPa，硬度达到HV620，致密度达到98.8％。

实施例3：

制备包镶质量比为8％的金刚石的FeCoCrNiCuMo_0.1的高熵合金刀头：1)制备FeCoCrNiCuMo_0.1的高熵合金配方粉，原材料采用高纯Fe、高纯Co、高纯Cr、高纯Ni、高纯Cu和高纯Mo等块体金属材料，Fe、Co、Cr、Ni、Cu和Mo的原子百分比为1：1：1：1：1：0.1；在1500℃下熔化成熔体，熔体在2.1MPa压力下雾化快速凝固，筛分后得到45～75um的高熵合金粉末，合金粉末在球料比为10：1，转速为200r/min条件下球磨10h进行活化处理。2)按照质量比为92：8分别称量高熵合金粉末和金刚石磨粒(磨粒的粒度为100微米)，混合均匀，然后在放电等离子烧结炉中烧结成型，烧结温度为T1＝850℃，升温速率为v1＝60℃/min，保温保压时间为t1＝480s，施加压强为P1＝35MPa，真空度为P2＝10^-3Pa。烧结后的刀头材料抗弯强度达到1310MPa，硬度达到HV530，致密度达到97.2％。

实施例4：

制备包镶质量比为5％的金刚石的FeCoCrNiCu的高熵合金刀头：1)制备FeCoCrNiCu的高熵合金配方粉，原材料采用高纯Fe、高纯Co、高纯Cr、高纯Ni、和高纯Cu等块体金属材料，Fe、Co、Cr、Ni和Cu的原子百分比为1：1：1：1：1；在1500℃下熔化成熔体，熔体在2.1MPa压力下雾化快速凝固，筛分后得到45～75um的高熵合金粉末，合金粉末在球料比为10：1，转速为200r/min条件下球磨10h进行活化处理。2)按照质量比为95：5分别称量高熵合金粉末和金刚石磨粒(磨粒的粒度为100微米)，混合均匀，然后在放电等离子烧结炉中烧结成型，烧结温度为T1＝800℃，升温速率为v1＝60℃/min，保温保压时间为t1＝600s，施加压强为P1＝35MPa，真空度为P2＝10^-3Pa。烧结后的刀头材料抗弯强度达到1330MPa，硬度达到HV550，致密度达到97.5％。

实施例5：

制备包镶质量比为5％的金刚石的FeCoCrNiCuMo_0.4的高熵合金刀头：1)制备FeCoCrNiCuMo_0.4的高熵合金配方粉，原材料采用高纯Fe、高纯Co、高纯Cr、高纯Ni、高纯Cu和高纯Mo等块体金属材料，Fe、Co、Cr、Ni、Cu和Mo的原子百分比为1：1：1：1：1：0.4；在1500℃下熔化成熔体，熔体在2.1MPa压力下雾化快速凝固，筛分后得到45～75um的高熵合金粉末，合金粉末在球料比为10：1，转速为200r/min条件下球磨10h进行活化处理。2)按照质量比为95：5分别称量高熵合金粉末和金刚石磨粒(磨粒的粒度为100微米)，混合均匀，然后在放电等离子烧结炉中烧结成型，烧结温度为T1＝950℃，升温速率为v1＝60℃/min，保温保压时间为t1＝480s，施加压强为P1＝35MPa，真空度为P2＝10^-3Pa。烧结后的刀头材料抗弯强度达到1380MPa，硬度达到HV600，致密度达到98.5％。

对比系1

设计基体组分为：Cu 42-49％、Fe 32-37％、Ni8％、Sn1-5％、Co2-8％，采用董洪峰博士论文第29页到31页的制备条件，得到系列样品，系列样品中，抗弯强度最高仅为545MPa。

对比系2

设计基体组分为：Cu 21-26％、Fe 63-54％、Ni8％、Sn5-9％、Co，采用董洪峰博士论文第29页到31页的制备条件，得到系列样品，系列样品中，抗弯强度最高仅为700MPa。

Claims

1.一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；其特征在于：所述高熵合金以胎体的形式把持磨料颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；其特征在于；所述高熵合金以原子百分比计由下述组分组成：

3.根据权利要求2所述的一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；其特征在于：所述高熵合金中，以原子数计，Fe：Co：Cr：Ni：Cu＝1:1:1:1:1。

4.根据权利要求1所述的一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；其特征在于：所述磨料颗粒选自金刚石、陶瓷颗粒。

5.根据权利要求1所述的一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料；其特征在于：所述磨料颗粒占复合材料总质量的2～10％；所述磨料颗粒的粒径为100～150um。

6.一种制备如权利要求1-5任意一项所述高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的方法，其特征在于；包括下述步骤：

步骤一

步骤二

步骤三

7.根据权利要6所述的一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，将配取的Fe源、Co源、Cr源、Ni源、Cu源、Mo源加热至熔化，混合均匀后，以氮气或氩气作为雾化介质，在2～2.5atm压力下制备高熵合金粉末；所述高熵合金粉末的粒径为45～75um。

8.根据权利要6所述的一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，球磨时间为5～20h，球磨转速为100～300r/min，球料比5：1～15：1；球磨后所得机械合金化-活化处理后的高熵合金粉末的平均粒径为10-20微米。

9.根据权利要6所述的一种高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于：所制备高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的抗弯强度为1300～1400MPa、硬度为HV500～630，致密度为97～99％。

10.一种如权利要求1-5任意一项所述高熵合金把持磨料颗粒的复合材料的应用，其特征在于：包括将所述高熵合金把持磨料颗粒的复合材料用作刀头。