1.本发明属于金属陶瓷
复合材料领域，特别涉及一种镍基碳化钨合金的制备方法。
背景技术：
2.陶瓷材料与工程金属相比，具有硬度高、耐磨性好、高温强度高、化学稳定性好和抗酸碱盐及其它介质腐蚀的能力强、绝缘性能优越等特点。陶瓷材料的缺点是塑性极低、强度不高、易发生脆性断裂、导热性能较差。而金属陶瓷刚好兼具了陶瓷材料和金属材料的优点，按照粘结金属的不同，金属陶瓷材料目前主要有铁基、钴基和镍基三类，硬质相大都以碳化钨为主，也有碳化钛、氮化钛、碳氮化钛等。例如，碳化钨为黑色六方晶体，有金属光泽，硬度与金刚石相近，为电、热的良好导体，具有硬度高、耐高温、化学性质稳定的优点，并且碳化钨颗粒与铁基金属的润视角为零，与其它金属陶瓷颗粒(如碳化钛等)相比易于获得，因此得到了广泛的应用。镍基碳化钨综合了钴基碳化钨和铁基碳化钨二者的耐磨性和耐腐蚀性，性能比较全面，在
仪器仪表、流体输送、化工及能源机械、船舶运输、高端工业零部件等领域得到了受到普遍运用。
3.现有技术中金属陶瓷材料的制备：专利cn101580939b公开了一种镍基金属陶瓷材料的制备方法，具体公开了一种碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合涂层制备方法，以wc粉末和nicrbsi合金粉末为原料，通过涂层设计、喷涂粉末筛选、按比例混合、基材表面处理、控制等离子喷涂参数等工序制备得到wc含量33～37％的镍基碳化钨涂层，该专利为镍基碳化钨耐磨涂层的制备方法，属于表面增强处理技术，与镍基碳化钨块体合金不同。专利cn104911586a则公开了一种在金属材料表面熔覆碳化钨覆层的方法，将碳化钨粉末和特制合金粉末混合均匀后，加入成膜剂，并将粉末轧制成扁平布状，得到碳化钨合金覆层；使用胶黏剂或使用机械夹持方法将碳化钨合金覆层粘在金属基材表面；将带有碳化钨合金覆层的金属基材在真空炉熔烧后进行热处理，该方法制备的镍基碳化钨合金中碳化钨颗粒分布不均匀，且镍基碳化钨与金属基材易脱落，难以制备厚度超过5mm的大块镍基碳化钨合金。从根本原理上说，该技术也属于涂层制备技术的一种。专利cn101898239b公开了一种金属基碳化钨颗粒增强体的制备方法，该方法将粒度为8-14目的铸造碳化钨颗粒填充于石墨模具中，再烧结将预制体规则排列在铸型端面，采用负压浇铸的方法可使基体金属与陶瓷颗粒增强体形成复合材料。该方法制备的基体金属与碳化钨增强相分布不够均匀，材料综合性能有待提高的问题。专利cn107419152a公开了一种钴碳化钨硬质合金的制备工艺，该方法将一定比例的co粉和wc粉在乙醇介质的球磨机中进行湿磨混合处理，然后过滤干燥、喷淋成悬浮液、再干燥、再筛分、制粒、粗筛分，最后压制成型和烧结得到wc硬质合金。该工艺制备的钴基碳化钨硬质合金可以在一定程度上抑制晶粒长大，但存在着制备工艺复杂，流程漫长，生产过程能耗高等缺点。
4.综上所述，现有技术中主要是通过熔敷、喷涂、粘接等工艺在金属基体表面形成一层厚度较薄的镍基碳化钨涂层，而且工艺过程较为复杂，制备成的涂层中致密度不足，易于成块脱落等问题。
技术实现要素：
5.本发明所要解决的技术问题是提供一种镍基碳化钨合金的制备方法，该方法既可以提高合金的致密度和碳化钨分布均匀度，提高镍基碳化钨合金的综合性能，同时制备过程还具有高效、快捷、节能等优点。
6.本发明提供了一种镍基碳化钨合金的制备方法，包括如下步骤：
7.(1)将合金原料ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、fe粉末通过粉末给料计量系统在首节进料口加入双螺杆挤出机，并通过溶剂给料计量系统在第二节进料口加入粘合剂、增稠剂和有机溶剂，通过螺杆的旋转产生压力与剪切力，使物料经过混合、挤压、剪切，最后在终端挤出镍基碳化钨粉末浆料；
8.(2)将制备好的镍基碳化钨粉末浆料送至高压压滤机进行压滤，得到致密均匀的镍基碳化钨压坯；其中，高压压滤机的预压压力为4～6mpa，预压时间为5～10min；压制压力为10
±
1.0mpa，压制时间为15～25min；压滤机滤网网孔直径1.8～2μm；(该工序将镍基碳化钨粉末浆料中的大部分溶剂及离散金属颗粒滤除出去)
9.(3)将镍基碳化钨压坯送入真空烧结炉进行真空烧结，烧结结束随炉冷却到室温，得到镍基碳化钨合金。
10.所述步骤(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％；剩余为fe粉末。
11.所述步骤(1)中的粘合剂为乙丙橡胶；所述增稠剂为甲基羟乙基纤维素；所述有机溶剂为n-乙基吡咯烷酮；所述粘合剂、增稠剂、有机溶剂的质量比为1-2:1-2:5-6。从而使浆料得到最好的分散性和稳定性。所述粘合剂和合金原料的比例为1.4-2.0:8.0-8.6。
12.所述步骤(1)中的双螺杆挤出机螺杆按轴向分成3个区域：浸润捏合、分散分离、稀释；螺杆转速为450～750rpm。
13.所述步骤(1)中的镍基碳化钨粉末浆料黏度为7000
±
1000cp，浆料中的固含量为71
±
1.5％。
14.所述步骤(2)中的压滤过程中保持模腔中的温度为75～85℃，并在压滤完成后保持该温度3～3.5小时；压滤并干燥后的压坯中固含量为96.5
±
1.0％。
15.所述步骤(3)中的真空烧结具体工艺为：首先以15～20℃/min的升温速度从室温升到350～380℃，保温30min；然后以10～15℃/min的升温速度升到800～820℃，保温30min；再以10～15℃/min的升温速度升到烧结1000～1020℃，保温40min；整个过程在真空状态下进行，真空烧结炉的真空度控制在0.05～0.1pa。
16.所述步骤(3)中得到的镍基碳化钨合金孔隙率小于0.1％，抗弯强度不低于3700mpa，弹性模量不低于300gpa，断裂韧性k
ic
不低于28mpa
·m1/2
。
17.有益效果
18.(1)本发明采用双螺杆挤出机混合分散+高压压滤工艺代替传统的粉末球磨+液压机压制工艺，在这个过程中都伴随着温度、粘度、固液比变化，粉末颗粒经过混合、挤压、剪切等过程的物理和化学作用，有益于提高整个镍基碳化钨合金粉末体系的热力学稳定性，烧结后的镍基碳化钨合金的中wc颗粒分布均匀度，改善wc颗粒与镍、铬等金属相的黏结强度，从而提高合金产品的抗弯强度和断裂韧性。
19.(2)本发明采用了更合适的粘合剂、表面活性剂作为合金粉末的分散和稳定助剂，
可以更加有效地润湿镍基碳化钨粉末，改变固体颗粒表面性质，降低镍基碳化钨粉末表面能，减小粉末颗粒之间的相互聚集趋势，粉末颗粒包覆更为均匀一致。从而进一步改善镍基碳化钨合金产品的机械物理性能，如抗弯强度、孔隙率、断裂韧性等。
20.(3)本发明采用的双螺杆挤出机混合分散工艺相比传统的批次球磨工艺具有能耗小，控制和调节简单、可以连续不间断作业等优点，从而得到更稳定的合金产品质量。例如传统的球磨工艺一般需要耗时20个小时以上，本发明中的双螺杆挤出机混合分散过程仅需30min，极大地缩短了合金粉末的制备过程和能耗。另外，原料喂料(粉末和液体)，搅拌，分散和排气的全自动化操作提高配方精确度，改善工艺控制并增强可追溯性，有利于镍基碳化钨合金的大批量稳定生产。
附图说明
21.图1为实施例1制备的镍基碳化钨合金的显微组织图；
22.图2为实施例2制备的镍基碳化钨合金的显微组织图；
23.图3为实施例3制备的镍基碳化钨合金的显微组织图。
具体实施方式
24.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
25.所有实施例中wc粉末的平均粒径均为2.3～2.8μm(由九江金鹭公司生产)，ni粉末和cr3c2粉末的平均粒径分别为2.0～2.5μm和2.0～2.6μm(由
有色金属研究院生产)。使用同种原料粉末，采用已有的湿式球磨、
振动筛分和真空烧结制备出的镍基碳化钨合金(wc35％)材料，其断裂韧性为15～20mpa
·m1/2
，抗弯强度为2300～2600mpa，弹性模量为240～275gpa，孔隙率0.12～0.15％。
26.实施例1
27.将ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、粒度为2.5～3.2μm的fe粉末分别按照重量比例50％、14％、35％、1％的比例通过粉末给料计量系统在首节进料口加入双螺杆挤出机，并通过溶剂给料计量系统在第2节进料口按照2:2:6的重量比加入粘合剂乙丙橡胶、表面活性剂甲基羟乙基纤维素和n-乙基吡咯烷酮溶剂，螺杆转速为500rpm，挤出为镍基碳化钨粉末浆料黏度为6500cp，浆料中的固含量为71.6％。将制备好的镍基碳化钨粉末浆料送至高压压滤机，压滤机滤网网孔直径2μm，高压压滤机的预压压力为6mpa，预压时间为10min；压制压力为9.7mpa，压制时间为18min；压制过程中保持模腔中的温度为80℃，并在压制完成后保持该温度3小时；压制并干燥后得到固含量为96.8％的镍基碳化钨压坯。将镍基碳化钨压坯送入真空烧结炉进行真空烧结，首先以15℃/min的升温速度从室温升到360℃，保温30min；然后以10℃/min的升温速度升到800℃，保温30min；再以10℃/min的升温速度升到烧结1000℃，保温40min。整个过程在真空状态下进行，真空烧结炉的真空度控制在0.1pa。烧结结束随炉冷却到室温，得到所需尺寸的镍基碳化钨合金(显微组织见图1，性能参数表见表1)。
28.对比例1
29.将ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、粒度为2.5～3.2μm的fe粉末分别按照重量比例50％、14％、35％、1％的比例通过粉末给料计量系统在首节进料口加入双螺杆挤出机，并通过溶剂给料计量系统在第2节进料口按照2:2:6的重量比加入粘合剂乙丙橡胶、表面活性剂甲基羟乙基纤维素和n-乙基吡咯烷酮溶剂，螺杆转速为500rpm，挤出为镍基碳化钨粉末浆料黏度为6500cp，浆料中的固含量为71.6％。将制备好的镍基碳化钨粉末浆料送至烘干机烘干5小时，烘干温度80℃，然后将烘干的粉末送至液压机进行压制得到镍基碳化钨压坯。将镍基碳化钨压坯送入真空烧结炉进行真空烧结，首先以15℃/min的升温速度从室温升到360℃，保温30min；然后以10℃/min的升温速度升到800℃，保温30min；再以10℃/min的升温速度升到烧结1000℃，保温40min。整个过程在真空状态下进行，真空烧结炉的真空度控制在0.1pa。烧结结束随炉冷却到室温，得到所需尺寸的镍基碳化钨合金(性能参数表见表1)。
30.实施例2
31.将ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、粒度为2.5～3.2μm的fe粉末分别按照重量比例50％、14％、35％、1％的比例通过粉末给料计量系统在首节进料口加入双螺杆挤出机，并通过溶剂给料计量系统在第2节进料口按照2:2:6的重量比加入粘合剂乙丙橡胶、表面活性剂甲基羟乙基纤维素和n-乙基吡咯烷酮溶剂，螺杆转速为600rpm，挤出为镍基碳化钨粉末浆料黏度为7000cp，浆料中的固含量为72.0％。将制备好的镍基碳化钨粉末浆料送至高压压滤机，压滤机滤网网孔直径2μm，高压压滤机的预压压力为5.0mpa，预压时间为7min；压制压力为10.2mpa，压制时间为20min；压制过程中保持模腔中的温度为80℃，并在压制完成后保持该温度3.5小时；压制并干燥后得到固含量为97.1％的镍基碳化钨压坯。将镍基碳化钨压坯送入真空烧结炉进行真空烧结，首先以20℃/min的升温速度从室温升到370℃，保温30min；然后以15℃/min的升温速度升到800℃，保温30min；再以15℃/min的升温速度升到烧结1020℃，保温40min。整个过程在真空状态下进行，真空烧结炉的真空度控制在0.1pa。烧结结束随炉冷却到室温，得到所需尺寸的镍基碳化钨合金(显微组织见图2，性能参数表见表1)。
32.实施例3
33.将ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、粒度为2.5～3.2μm的fe粉末分别按照重量比例50％、14％、35％、1％的比例通过粉末给料计量系统在首节进料口加入双螺杆挤出机，并通过溶剂给料计量系统在第2节进料口按照2:2:6的重量比加入粘合剂乙丙橡胶、表面活性剂甲基羟乙基纤维素和n-乙基吡咯烷酮溶剂，螺杆转速为750rpm，挤出为镍基碳化钨粉末浆料黏度为7800cp，浆料中的固含量为72.5％。将制备好的镍基碳化钨粉末浆料送至高压压滤机，压滤机滤网网孔直径2μm，高压压滤机的预压压力为4.0mpa，预压时间为10min；压制压力为11mpa，压制时间为20min；压制过程中保持模腔中的温度为85℃，并在压制完成后保持该温度3小时；压制并干燥后得到固含量为97.4％的镍基碳化钨压坯。将镍基碳化钨压坯送入真空烧结炉进行真空烧结，首先以15℃/min的升温速度从室温升到380℃，保温30min；然后以15℃/min的升温速度升到820℃，保温30min；再以10℃/min的升温速度升到烧结1020℃，保温40min。整个过程在真空状态下进行，真空烧结炉的真空度控制在0.1pa。烧结结束随炉冷却到室温，得到所需尺寸的镍基碳化钨合金(显微组织见图3，性能参数表见表1)。
34.表1不同实施例制备的镍基碳化钨合金的性能参数
[0035][0036]
由图1-图3以及表1的数据可知，本发明制备的镍基碳化钨合金致密均匀，具有良好的综合物理性能，具有良好的市场应用前景。技术特征：
1.一种镍基碳化钨合金的制备方法，包括如下步骤：(1)将合金原料ni粉、cr3c2粉末、wc粉末、fe粉末通过粉末给料计量系统在首节进料口加入双螺杆挤出机，并通过溶剂给料计量系统在第二节进料口加入粘合剂、增稠剂和有机溶剂，通过螺杆的旋转产生压力与剪切力，使物料经过混合、挤压、剪切，最后在终端挤出镍基碳化钨粉末浆料；(2)将制备好的镍基碳化钨粉末浆料送至高压压滤机进行压滤，得到致密均匀的镍基碳化钨压坯；其中，高压压滤机的预压压力为4～6mpa，预压时间为5～10min；压制压力为10
±
1.0mpa，压制时间为15～25min；压滤机滤网网孔直径1.8～2μm；(3)将镍基碳化钨压坯送入真空烧结炉进行真空烧结，烧结结束随炉冷却到室温，得到镍基碳化钨合金。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(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％；剩余为fe粉末。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的粘合剂为乙丙橡胶；所述增稠剂为甲基羟乙基纤维素；所述有机溶剂为n-乙基吡咯烷酮；所述粘合剂、增稠剂、有机溶剂的质量比为1-2:1-2:5-6。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的双螺杆挤出机螺杆按轴向分成3个区域：浸润捏合、分散分离、稀释；螺杆转速为450～750rpm。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的镍基碳化钨粉末浆料黏度为7000
±
1000cp，浆料中的固含量为71
±
1.5％。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的压滤过程中保持模腔中的温度为75～85℃，并在压滤完成后保持该温度3～3.5小时；压滤并干燥后的压坯中固含量为96.5
±
1.0％。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的真空烧结具体工艺为：首先以15～20℃/min的升温速度从室温升到350～380℃，保温30min；然后以10～15℃/min的升温速度升到800～820℃，保温30min；再以10～15℃/min的升温速度升到烧结1000～1020℃，保温40min；整个过程在真空状态下进行，真空烧结炉的真空度控制在0.05～0.1pa。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中得到的镍基碳化钨合金孔隙率小于0.1％，抗弯强度不低于3700mpa，弹性模量不低于300gpa，断裂韧性k
ic
不低于28mpa
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。
技术总结
本发明涉及一种镍基碳化钨合金的制备方法，采用双螺杆挤出机混合分散+高压压滤工艺代替传统的粉末球磨+液压机压制工艺，过程中都伴随着温度、粘度、固液比变化，粉末颗粒经过混合、挤压、剪切等过程的物理和化学作用，有益于提高整个镍基碳化钨合金粉末体系的热力学稳定性，烧结后的镍基碳化钨合金的中WC颗粒分布均匀度，改善WC颗粒与镍、铬等金属相的黏结强度，从而提高合金产品的抗弯强度和断裂韧性。性。性。
技术研发人员：李朝明
受保护的技术使用者：上海离原环境科技有限公司
技术研发日：2022.06.15
技术公布日：2022/10/17
声明：
“镍基碳化钨合金的制备方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：上海离原环境科技有限公司
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2024年05月17日 ~ 19日 
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