1.本發(fā)明屬于金屬陶瓷復合材料領域，特別涉及一種鎳基碳化鎢合金的制備方法。

背景技術：

2.陶瓷材料與工程金屬相比，具有硬度高、耐磨性好、高溫強度高、化學穩(wěn)定性好和抗酸堿鹽及其它介質腐蝕的能力強、絕緣性能優(yōu)越等特點。陶瓷材料的缺點是塑性極低、強度不高、易發(fā)生脆性斷裂、導熱性能較差。而金屬陶瓷剛好兼具了陶瓷材料和金屬材料的優(yōu)點，按照粘結金屬的不同，金屬陶瓷材料目前主要有鐵基、鈷基和鎳基三類，硬質相大都以碳化鎢為主，也有碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦等。例如，碳化鎢為黑色六方晶體，有金屬光澤，硬度與金剛石相近，為電、熱的良好導體，具有硬度高、耐高溫、化學性質穩(wěn)定的優(yōu)點，并且碳化鎢顆粒與鐵基金屬的潤視角為零，與其它金屬陶瓷顆粒(如碳化鈦等)相比易于獲得，因此得到了廣泛的應用。鎳基碳化鎢綜合了鈷基碳化鎢和鐵基碳化鎢二者的耐磨性和耐腐蝕性，性能比較全面，在儀器儀表、流體輸送、化工及能源機械、船舶運輸、高端工業(yè)零部件等領域得到了受到普遍運用。

3.現(xiàn)有技術中金屬陶瓷材料的制備：專利cn101580939b公開了一種鎳基金屬陶瓷材料的制備方法，具體公開了一種碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層制備方法，以wc粉末和nicrbsi合金粉末為原料，通過涂層設計、噴涂粉末篩選、按比例混合、基材表面處理、控制等離子噴涂參數(shù)等工序制備得到wc含量33～37％的鎳基碳化鎢涂層，該專利為鎳基碳化鎢耐磨涂層的制備方法，屬于表面增強處理技術，與鎳基碳化鎢塊體合金不同。專利cn104911586a則公開了一種在金屬材料表面熔覆碳化鎢覆層的方法，將碳化鎢粉末和特制合金粉末混合均勻后，加入成膜劑，并將粉末軋制成扁平布狀，得到碳化鎢合金覆層；使用膠黏劑或使用機械夾持方法將碳化鎢合金覆層粘在金屬基材表面；將帶有碳化鎢合金覆層的金屬基材在真空爐熔燒后進行熱處理，該方法制備的鎳基碳化鎢合金中碳化鎢顆粒分布不均勻，且鎳基碳化鎢與金屬基材易脫落，難以制備厚度超過5mm的大塊鎳基碳化鎢合金。從根本原理上說，該技術也屬于涂層制備技術的一種。專利cn101898239b公開了一種金屬基碳化鎢顆粒增強體的制備方法，該方法將粒度為8-14目的鑄造碳化鎢顆粒填充于石墨模具中，再燒結將預制體規(guī)則排列在鑄型端面，采用負壓澆鑄的方法可使基體金屬與陶瓷顆粒增強體形成復合材料。該方法制備的基體金屬與碳化鎢增強相分布不夠均勻，材料綜合性能有待提高的問題。專利cn107419152a公開了一種鈷碳化鎢硬質合金的制備工藝，該方法將一定比例的co粉和wc粉在乙醇介質的球磨機中進行濕磨混合處理，然后過濾干燥、噴淋成懸浮液、再干燥、再篩分、制粒、粗篩分，最后壓制成型和燒結得到wc硬質合金。該工藝制備的鈷基碳化鎢硬質合金可以在一定程度上抑制晶粒長大，但存在著制備工藝復雜，流程漫長，生產過程能耗高等缺點。

4.綜上所述，現(xiàn)有技術中主要是通過熔敷、噴涂、粘接等工藝在金屬基體表面形成一層厚度較薄的鎳基碳化鎢涂層，而且工藝過程較為復雜，制備成的涂層中致密度不足，易于成塊脫落等問題。

技術實現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種鎳基碳化鎢合金的制備方法，該方法既可以提高合金的致密度和碳化鎢分布均勻度，提高鎳基碳化鎢合金的綜合性能，同時制備過程還具有高效、快捷、節(jié)能等優(yōu)點。

6.本發(fā)明提供了一種鎳基碳化鎢合金的制備方法，包括如下步驟：

7.(1)將合金原料ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、fe粉末通過粉末給料計量系統(tǒng)在首節(jié)進料口加入雙螺桿擠出機，并通過溶劑給料計量系統(tǒng)在第二節(jié)進料口加入粘合劑、增稠劑和有機溶劑，通過螺桿的旋轉產生壓力與剪切力，使物料經過混合、擠壓、剪切，最后在終端擠出鎳基碳化鎢粉末漿料；

8.(2)將制備好的鎳基碳化鎢粉末漿料送至高壓壓濾機進行壓濾，得到致密均勻的鎳基碳化鎢壓坯；其中，高壓壓濾機的預壓壓力為4～6mpa，預壓時間為5～10min；壓制壓力為10

±

1.0mpa，壓制時間為15～25min；壓濾機濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑1.8～2μm；(該工序將鎳基碳化鎢粉末漿料中的大部分溶劑及離散金屬顆粒濾除出去)

9.(3)將鎳基碳化鎢壓坯送入真空燒結爐進行真空燒結，燒結結束隨爐冷卻到室溫，得到鎳基碳化鎢合金。

10.所述步驟(1)中合金原料按重量百分比，ni粉：50～70％；cr3c2粉末：11～18％；wc粉末：10～35％；剩余為fe粉末。

11.所述步驟(1)中的粘合劑為乙丙橡膠；所述增稠劑為甲基羥乙基纖維素；所述有機溶劑為n-乙基吡咯烷酮；所述粘合劑、增稠劑、有機溶劑的質量比為1-2:1-2:5-6。從而使?jié){料得到最好的分散性和穩(wěn)定性。所述粘合劑和合金原料的比例為1.4-2.0:8.0-8.6。

12.所述步驟(1)中的雙螺桿擠出機螺桿按軸向分成3個區(qū)域：浸潤捏合、分散分離、稀釋；螺桿轉速為450～750rpm。

13.所述步驟(1)中的鎳基碳化鎢粉末漿料黏度為7000

±

1000cp，漿料中的固含量為71

±

1.5％。

14.所述步驟(2)中的壓濾過程中保持模腔中的溫度為75～85℃，并在壓濾完成后保持該溫度3～3.5小時；壓濾并干燥后的壓坯中固含量為96.5

±

1.0％。

15.所述步驟(3)中的真空燒結具體工藝為：首先以15～20℃/min的升溫速度從室溫升到350～380℃，保溫30min；然后以10～15℃/min的升溫速度升到800～820℃，保溫30min；再以10～15℃/min的升溫速度升到燒結1000～1020℃，保溫40min；整個過程在真空狀態(tài)下進行，真空燒結爐的真空度控制在0.05～0.1pa。

16.所述步驟(3)中得到的鎳基碳化鎢合金孔隙率小于0.1％，抗彎強度不低于3700mpa，彈性模量不低于300gpa，斷裂韌性k

ic

不低于28mpa

·m1/2

。

17.有益效果

18.(1)本發(fā)明采用雙螺桿擠出機混合分散+高壓壓濾工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粉末球磨+液壓機壓制工藝，在這個過程中都伴隨著溫度、粘度、固液比變化，粉末顆粒經過混合、擠壓、剪切等過程的物理和化學作用，有益于提高整個鎳基碳化鎢合金粉末體系的熱力學穩(wěn)定性，燒結后的鎳基碳化鎢合金的中wc顆粒分布均勻度，改善wc顆粒與鎳、鉻等金屬相的黏結強度，從而提高合金產品的抗彎強度和斷裂韌性。

19.(2)本發(fā)明采用了更合適的粘合劑、表面活性劑作為合金粉末的分散和穩(wěn)定助劑，

可以更加有效地潤濕鎳基碳化鎢粉末，改變固體顆粒表面性質，降低鎳基碳化鎢粉末表面能，減小粉末顆粒之間的相互聚集趨勢，粉末顆粒包覆更為均勻一致。從而進一步改善鎳基碳化鎢合金產品的機械物理性能，如抗彎強度、孔隙率、斷裂韌性等。

20.(3)本發(fā)明采用的雙螺桿擠出機混合分散工藝相比傳統(tǒng)的批次球磨工藝具有能耗小，控制和調節(jié)簡單、可以連續(xù)不間斷作業(yè)等優(yōu)點，從而得到更穩(wěn)定的合金產品質量。例如傳統(tǒng)的球磨工藝一般需要耗時20個小時以上，本發(fā)明中的雙螺桿擠出機混合分散過程僅需30min，極大地縮短了合金粉末的制備過程和能耗。另外，原料喂料(粉末和液體)，攪拌，分散和排氣的全自動化操作提高配方精確度，改善工藝控制并增強可追溯性，有利于鎳基碳化鎢合金的大批量穩(wěn)定生產。

附圖說明

21.圖1為實施例1制備的鎳基碳化鎢合金的顯微組織圖；

22.圖2為實施例2制備的鎳基碳化鎢合金的顯微組織圖；

23.圖3為實施例3制備的鎳基碳化鎢合金的顯微組織圖。

具體實施方式

24.下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本技術所附權利要求書所限定的范圍。

25.所有實施例中wc粉末的平均粒徑均為2.3～2.8μm(由九江金鷺公司生產)，ni粉末和cr3c2粉末的平均粒徑分別為2.0～2.5μm和2.0～2.6μm(由有色金屬研究院生產)。使用同種原料粉末，采用已有的濕式球磨、振動篩分和真空燒結制備出的鎳基碳化鎢合金(wc35％)材料，其斷裂韌性為15～20mpa

·m1/2

，抗彎強度為2300～2600mpa，彈性模量為240～275gpa，孔隙率0.12～0.15％。

26.實施例1

27.將ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、粒度為2.5～3.2μm的fe粉末分別按照重量比例50％、14％、35％、1％的比例通過粉末給料計量系統(tǒng)在首節(jié)進料口加入雙螺桿擠出機，并通過溶劑給料計量系統(tǒng)在第2節(jié)進料口按照2:2:6的重量比加入粘合劑乙丙橡膠、表面活性劑甲基羥乙基纖維素和n-乙基吡咯烷酮溶劑，螺桿轉速為500rpm，擠出為鎳基碳化鎢粉末漿料黏度為6500cp，漿料中的固含量為71.6％。將制備好的鎳基碳化鎢粉末漿料送至高壓壓濾機，壓濾機濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑2μm，高壓壓濾機的預壓壓力為6mpa，預壓時間為10min；壓制壓力為9.7mpa，壓制時間為18min；壓制過程中保持模腔中的溫度為80℃，并在壓制完成后保持該溫度3小時；壓制并干燥后得到固含量為96.8％的鎳基碳化鎢壓坯。將鎳基碳化鎢壓坯送入真空燒結爐進行真空燒結，首先以15℃/min的升溫速度從室溫升到360℃，保溫30min；然后以10℃/min的升溫速度升到800℃，保溫30min；再以10℃/min的升溫速度升到燒結1000℃，保溫40min。整個過程在真空狀態(tài)下進行，真空燒結爐的真空度控制在0.1pa。燒結結束隨爐冷卻到室溫，得到所需尺寸的鎳基碳化鎢合金(顯微組織見圖1，性能參數(shù)表見表1)。

28.對比例1

29.將ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、粒度為2.5～3.2μm的fe粉末分別按照重量比例50％、14％、35％、1％的比例通過粉末給料計量系統(tǒng)在首節(jié)進料口加入雙螺桿擠出機，并通過溶劑給料計量系統(tǒng)在第2節(jié)進料口按照2:2:6的重量比加入粘合劑乙丙橡膠、表面活性劑甲基羥乙基纖維素和n-乙基吡咯烷酮溶劑，螺桿轉速為500rpm，擠出為鎳基碳化鎢粉末漿料黏度為6500cp，漿料中的固含量為71.6％。將制備好的鎳基碳化鎢粉末漿料送至烘干機烘干5小時，烘干溫度80℃，然后將烘干的粉末送至液壓機進行壓制得到鎳基碳化鎢壓坯。將鎳基碳化鎢壓坯送入真空燒結爐進行真空燒結，首先以15℃/min的升溫速度從室溫升到360℃，保溫30min；然后以10℃/min的升溫速度升到800℃，保溫30min；再以10℃/min的升溫速度升到燒結1000℃，保溫40min。整個過程在真空狀態(tài)下進行，真空燒結爐的真空度控制在0.1pa。燒結結束隨爐冷卻到室溫，得到所需尺寸的鎳基碳化鎢合金(性能參數(shù)表見表1)。

30.實施例2

31.將ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、粒度為2.5～3.2μm的fe粉末分別按照重量比例50％、14％、35％、1％的比例通過粉末給料計量系統(tǒng)在首節(jié)進料口加入雙螺桿擠出機，并通過溶劑給料計量系統(tǒng)在第2節(jié)進料口按照2:2:6的重量比加入粘合劑乙丙橡膠、表面活性劑甲基羥乙基纖維素和n-乙基吡咯烷酮溶劑，螺桿轉速為600rpm，擠出為鎳基碳化鎢粉末漿料黏度為7000cp，漿料中的固含量為72.0％。將制備好的鎳基碳化鎢粉末漿料送至高壓壓濾機，壓濾機濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑2μm，高壓壓濾機的預壓壓力為5.0mpa，預壓時間為7min；壓制壓力為10.2mpa，壓制時間為20min；壓制過程中保持模腔中的溫度為80℃，并在壓制完成后保持該溫度3.5小時；壓制并干燥后得到固含量為97.1％的鎳基碳化鎢壓坯。將鎳基碳化鎢壓坯送入真空燒結爐進行真空燒結，首先以20℃/min的升溫速度從室溫升到370℃，保溫30min；然后以15℃/min的升溫速度升到800℃，保溫30min；再以15℃/min的升溫速度升到燒結1020℃，保溫40min。整個過程在真空狀態(tài)下進行，真空燒結爐的真空度控制在0.1pa。燒結結束隨爐冷卻到室溫，得到所需尺寸的鎳基碳化鎢合金(顯微組織見圖2，性能參數(shù)表見表1)。

32.實施例3

33.將ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、粒度為2.5～3.2μm的fe粉末分別按照重量比例50％、14％、35％、1％的比例通過粉末給料計量系統(tǒng)在首節(jié)進料口加入雙螺桿擠出機，并通過溶劑給料計量系統(tǒng)在第2節(jié)進料口按照2:2:6的重量比加入粘合劑乙丙橡膠、表面活性劑甲基羥乙基纖維素和n-乙基吡咯烷酮溶劑，螺桿轉速為750rpm，擠出為鎳基碳化鎢粉末漿料黏度為7800cp，漿料中的固含量為72.5％。將制備好的鎳基碳化鎢粉末漿料送至高壓壓濾機，壓濾機濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑2μm，高壓壓濾機的預壓壓力為4.0mpa，預壓時間為10min；壓制壓力為11mpa，壓制時間為20min；壓制過程中保持模腔中的溫度為85℃，并在壓制完成后保持該溫度3小時；壓制并干燥后得到固含量為97.4％的鎳基碳化鎢壓坯。將鎳基碳化鎢壓坯送入真空燒結爐進行真空燒結，首先以15℃/min的升溫速度從室溫升到380℃，保溫30min；然后以15℃/min的升溫速度升到820℃，保溫30min；再以10℃/min的升溫速度升到燒結1020℃，保溫40min。整個過程在真空狀態(tài)下進行，真空燒結爐的真空度控制在0.1pa。燒結結束隨爐冷卻到室溫，得到所需尺寸的鎳基碳化鎢合金(顯微組織見圖3，性能參數(shù)表見表1)。

34.表1不同實施例制備的鎳基碳化鎢合金的性能參數(shù)

[0035][0036]

由圖1-圖3以及表1的數(shù)據(jù)可知，本發(fā)明制備的鎳基碳化鎢合金致密均勻，具有良好的綜合物理性能，具有良好的市場應用前景。技術特征：

1.一種鎳基碳化鎢合金的制備方法，包括如下步驟：(1)將合金原料ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、fe粉末通過粉末給料計量系統(tǒng)在首節(jié)進料口加入雙螺桿擠出機，并通過溶劑給料計量系統(tǒng)在第二節(jié)進料口加入粘合劑、增稠劑和有機溶劑，通過螺桿的旋轉產生壓力與剪切力，使物料經過混合、擠壓、剪切，最后在終端擠出鎳基碳化鎢粉末漿料；(2)將制備好的鎳基碳化鎢粉末漿料送至高壓壓濾機進行壓濾，得到致密均勻的鎳基碳化鎢壓坯；其中，高壓壓濾機的預壓壓力為4～6mpa，預壓時間為5～10min；壓制壓力為10

±

1.0mpa，壓制時間為15～25min；壓濾機濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑1.8～2μm；(3)將鎳基碳化鎢壓坯送入真空燒結爐進行真空燒結，燒結結束隨爐冷卻到室溫，得到鎳基碳化鎢合金。2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中合金原料按重量百分比，ni粉：50～70％；cr3c2粉末：11～18％；wc粉末：10～35％；剩余為fe粉末。3.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中的粘合劑為乙丙橡膠；所述增稠劑為甲基羥乙基纖維素；所述有機溶劑為n-乙基吡咯烷酮；所述粘合劑、增稠劑、有機溶劑的質量比為1-2:1-2:5-6。4.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中的雙螺桿擠出機螺桿按軸向分成3個區(qū)域：浸潤捏合、分散分離、稀釋；螺桿轉速為450～750rpm。5.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中的鎳基碳化鎢粉末漿料黏度為7000

±

1000cp，漿料中的固含量為71

±

1.5％。6.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(2)中的壓濾過程中保持模腔中的溫度為75～85℃，并在壓濾完成后保持該溫度3～3.5小時；壓濾并干燥后的壓坯中固含量為96.5

±

1.0％。7.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)中的真空燒結具體工藝為：首先以15～20℃/min的升溫速度從室溫升到350～380℃，保溫30min；然后以10～15℃/min的升溫速度升到800～820℃，保溫30min；再以10～15℃/min的升溫速度升到燒結1000～1020℃，保溫40min；整個過程在真空狀態(tài)下進行，真空燒結爐的真空度控制在0.05～0.1pa。8.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)中得到的鎳基碳化鎢合金孔隙率小于0.1％，抗彎強度不低于3700mpa，彈性模量不低于300gpa，斷裂韌性k

ic

不低于28mpa

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1/2

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技術總結

本發(fā)明涉及一種鎳基碳化鎢合金的制備方法，采用雙螺桿擠出機混合分散+高壓壓濾工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粉末球磨+液壓機壓制工藝，過程中都伴隨著溫度、粘度、固液比變化，粉末顆粒經過混合、擠壓、剪切等過程的物理和化學作用，有益于提高整個鎳基碳化鎢合金粉末體系的熱力學穩(wěn)定性，燒結后的鎳基碳化鎢合金的中WC顆粒分布均勻度，改善WC顆粒與鎳、鉻等金屬相的黏結強度，從而提高合金產品的抗彎強度和斷裂韌性。性。性。

技術研發(fā)人員：李朝明

受保護的技術使用者：上海離原環(huán)境科技有限公司

技術研發(fā)日：2022.06.15

技術公布日：2022/10/17