阅读说明：本技术 一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法 (Method for in-situ synthesis of fibrous nano tungsten carbide on surface layer of hard alloy ) 是由 郝胜智 彭文海 卢健 吴垚 杨勃行 姜梦琦 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法,属于材料技术领域。通过利用强流脉冲电子束和低温回火,对硬质合金表层进行显微结构调控,强流脉冲电子束辐照的表层微区在满足纳米亚稳组织形成的热动力学和结晶学条件,而温度低于烧结温度的回火,使得固态相变仅仅发生于硬质合金表层的亚稳态组织中。制备时,(1)对硬质合金块体表面进行打磨后,清洗风干；(2)对硬质合金块体进行强流脉冲电子束表面辐照处理；(3)将辐照后的硬质合金块体置于真空管式炉中进行低温回火。本发明的工艺简单,可靠性高,操作方便；硬质合金表层晶粒快速熔凝及固态相变后得到的纳米碳化钨复合结构,这种稳定的纤维状纳米结构起到强化硬质合金表面的作用。(A method for in-situ synthesizing fibrous nano tungsten carbide on a hard alloy surface layer belongs to the technical field of materials. The microstructure of the surface layer of the hard alloy is regulated and controlled by using the high current pulse electron beam and low-temperature tempering, the micro area of the surface layer irradiated by the high current pulse electron beam meets the thermodynamic and crystallography conditions formed by a nano metastable structure, and the temperature is lower than the sintering temperature, so that the solid phase change only occurs in the metastable structure of the surface layer of the hard alloy. The preparation method comprises the following steps of (1) polishing the surface of a hard alloy block, and then cleaning and air-drying the hard alloy block; (2) performing high-current pulse electron beam surface irradiation treatment on the hard alloy block; (3) and (3) placing the irradiated hard alloy block in a vacuum tube furnace for low-temperature tempering. The invention has simple process, high reliability and convenient operation; the stable fibrous nano structure plays a role in strengthening the surface of the hard alloy.)

一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，提供一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法。

背景技术

硬质合金因其良好的力学性能，如高硬度、高强度、耐磨性好等，被制成刀具、耐磨元件而广泛应用于工业生产的各个领域。它是用粉末冶金方法制备的一种复合材料，主要由硬质相(难熔金属碳化物)和粘结相(金属)组成。研究表明，硬质合金中，硬质相晶粒度对其力学性能有着重要的影响，细化硬质相晶粒可以同时提高硬质合金材料的硬度、强度和耐磨性能。为制备细晶硬质合金，目前已发展了高能球磨法、热化学合成法、等离子体法和机械合金化等方法制备纳米粉末，或者在烧结过程中添加限制硬质相长大的金属抑制剂。分析硬质合金材料的用途，通过改***质合金表层结构可以有效提高其表面强度和耐磨性能。因此，有科技人员开始致力研发梯度结构(即表层细晶、基体粗晶)的硬质合金。然而现有的梯度硬质合金制备工艺还不完善，工艺流程复杂，影响因素多，生产设备维护费用高。

根据钨-碳相图可知，钨碳化合物主要有三种，WC、W₂C、WC_1-x。其中WC最稳定，作为常见硬质合金的硬质相；WC_1-x是一种温度在2516℃以上才稳定的亚稳相，低于该温度会发生分解形成WC和W₂C。超高速冷却的非平衡凝固热力学分析表明，在熔体的冷却速度达到10⁸℃/s时，可以在室温获得纳米尺寸的WC_1-x。强流脉冲电子束的辐照可以使块体硬质合金表层瞬间熔化并快速冷却，冷却速度10^8-10℃/s可以满足前述非平衡凝固条件，可以获得亚稳态纳米WC_1-x。对该组织适当加温回火可以获得稳定的纳米WC表层，实现梯度结构的硬质合金制备。

发明内容

本发明是首先利用强流脉冲电子束辐照硬质合金块体表面，使其表层晶粒熔化和超高速非平衡凝固过程形成亚稳态纳米WC_1-x；然后对辐照过的硬质合金块体进行适当低温回火，实现制备具有纳米WC表层的梯度结构硬质合金。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种硬质合金表层原位合成纤维状纳米碳化钨的方法，该制备方法采用强流脉冲电子束和低温回火处理在硬质合金块体表层原位制备纤维状的纳米碳化钨复合结构，且不改***质合金块体内部的结构和性能，所得纤维状的纳米碳化钨复合结构表层组织细密、硬度强度高，特殊的纤维状结构也有利于提高硬质合金表面的耐磨损性能，具体包括如下步骤：

(1)硬质合金块体的预处理

采用金刚石磨盘对硬质合金块体样品进行表面打磨，然后依次用酒精和去离子水超声振荡清洗5-15min并冷风吹干，得到硬质合金块体。

所述的打磨具体为：依次选用180#、360#、800#、1200#金刚石磨盘打磨，以获得较为平整的表面，有利于电子束能量更均匀地作用在硬质合金表层微区。

(2)利用强流脉冲电子束辐照诱导表层纳米亚稳组织

将步骤(1)得到的硬质合金块体按照打磨表面垂直于电子束轴向固定于强流脉冲电子束装置真空室内部的样品靶上，在真空室内气压5.5-7.5×10^-3Pa、电子束能量密度2-8J/cm²、加速电压27keV、脉冲宽度0.5-6μs、靶极距10-15cm的条件下辐照6-20次，得到表层具有纳米亚稳组织的硬质合金块体。

(3)利用低温回火诱导纳米亚稳组织固态相变

将步骤(2)得到的硬质合金块体置于真空管式炉中，抽真空后，通入Ar气体作为保护。管式炉以5-15℃/min的速度升温至550-750℃，恒温0.5-2.5小时，然后随炉冷却至室温，得到表层为纤维状纳米碳化钨的梯度硬质合金块体，这种硬质合金块体内部结构不变，而表层特殊的纤维状纳米组织有更好的硬度、强度和耐磨性，起到良好的保护作用。

上述得到的表层纤维状的梯度硬质合金块体进行表面显微硬度测试，其表面显微硬度与未经任何处理的硬质合金块体相比有大幅提高，制备的梯度硬质合金块体可应用于切削工具、钻头、模具等耐磨零部件，提高零部件的使用寿命、加工精度和工件的质量。

本发明的有益效果为：

(1)强流脉冲电子束的能量密度高，辐照诱导表层微区温度条件更有利于硬质合金表层形成精细的纳米亚稳态组织；亚稳态组织在低温下退火就可以通过固态相变形成同等尺度的稳定的纤维状碳化钨。

(2)整个制备工艺流程简单，可靠性高，影响因素少；制得的表层为纤维状纳米组织的硬质合金，具有更高的表面硬度和更好的表面耐磨性。

附图说明

图1为未经处理的烧结硬质合金扫描电镜照片。

图2为实施例2强流脉冲电子束辐照后硬质合金表面扫描电镜照片。

图3为实施例2低温回火后硬质合金表面扫描电镜照片。

图4为实施例2硬质合金表面显微硬度对比图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详述，但不是对本发明的限定。

实施例1：

(1)预处理：将YG10硬质合金(其中WC平均粒度1.27μm)块体依次用180#、360#、800#、1200#金刚石磨盘打磨，随后依次用乙醇和去离子水超声清洗10min并冷风吹干；

(2)将预处理后的YG10硬质合金块体固定于强流脉冲电子束装置真空室内部的样品靶上。抽真空至7.0×10^-3Pa时开始脉冲电子束辐照样品表面，辐照20次。电子束的能量密度6J/cm²、加速电压27keV、脉冲宽度2.5μs、靶极距12.5cm；

(3)将电子束辐照后的YG10硬质合金块体置于真空管式炉中，抽好真空后，通入Ar气体作为保护。管式炉以10℃/min的速度升温至600℃，恒温1.5小时，然后随炉冷却至室温。

实施例2：

(1)预处理：将YG10硬质合金块体依次用180#、360#、800#、1200#金刚石磨盘打磨，随后依次用乙醇和去离子水超声清洗15min并冷风吹干；

(2)将预处理后的YG10硬质合金块体固定于强流脉冲电子束装置真空室内部的样品靶上。抽真空至5.5×10^-3Pa时开始脉冲电子束辐照样品表面，辐照6次。电子束的能量密度8J/cm²、加速电压27keV、脉冲宽度6μs、靶极距15cm，利用扫描电子显微镜观察，强流脉冲电子束辐照后硬质合金表面形貌如图2所示；

(3)将电子束辐照后的YG10硬质合金块体置于真空管式炉中，抽好真空后，通入Ar气体作为保护。管式炉以15℃/min的速度升温至750℃，恒温0.5小时，然后随炉冷却至室温，利用扫描电子显微镜观察，强流脉冲电子束辐照后硬质合金表面形貌如图3所示，呈纤维状的纳米组织。

对制备的表层纤维状的梯度硬质合金块体进行表面显微硬度测试，其表面显微硬度与未经任何处理的硬质合金块体相比有大幅提高，如图4所示。

实施例3

(1)预处理：将YG10硬质合金块体依次用180#、360#、800#、1200#金刚石磨盘打磨，随后依次用乙醇和去离子水超声清洗5min并冷风吹干；

(2)将预处理后的YG10硬质合金块体固定于强流脉冲电子束装置真空室内部的样品靶上。抽真空至7.5×10^-3Pa时开始脉冲电子束辐照样品表面，辐照15次。电子束的能量密度2J/cm²、加速电压27keV、脉冲宽度0.5μs、靶极距10cm；

(3)将电子束辐照后的YG10硬质合金块体置于真空管式炉中，抽好真空后，通入Ar气体作为保护。管式炉以5℃/min的速度升温至550℃，恒温2.5小时，然后随炉冷却至室温得到产物。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。