本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种轻质高强度硬质合金材料及其制备方法。
背景技术：
目前，tic基硬质合金的硬度非常高，有很高的耐磨性，摩擦系数也小，具有较高的抗氧化能力、较高的耐热性和较好的化学稳定性。但是它的抗塑性变形能力、抗脆性破损能力、导热性等均较差，抗磨料磨损性能也较低。因此其应用不如wc基硬质合金面广量大。尽管tic基硬质合金用作刀具材料，适合对铸铁、普通钢、高硬度钢进行高速切削和干式切削，在某些加工场合性能优于一般硬质合金刀具，但是刀具使用寿命任然难以和硬质合金刀具相当，尤其是tic基硬质合金刀具的耐磨性和使用寿命不理想，无法满足市场需求。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的tic基硬质合金刀具的耐磨性和使用寿命不理想，无法满足市场需求。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种轻质高强度硬质合金材料及其制备方法。
本发明是这样实现的，一种轻质高强度硬质合金材料及其制备方法，所述轻质高强度硬质合金材料按照质量份数由钛6～8份、碳1～2份、锆3～6份、硅2～5份、
铜1～4份、
镍2～3份、
锰2～3份、铁1～2份、铌1～2份、铬1～3份组成。
本发明的另一目的在于提供一种轻质高强度硬质合金材料的制备方法，所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一，进行钛粉的制备并使用制备的钛粉、碳粉进行碳化钛的制备：将氢化钛真空脱氢，后置于氩气压力条件下进行气流磨处理，得到高纯度钛粉；按照质量份数称取高纯度钛粉6～8份、碳粉1～2份，分别进行钛粉、碳粉的研磨得到粒径均一的钛粉、粒径均一的碳粉；将钛粉与碳粉进行混合，搅拌均匀后进行减压成形得到复合物；将复合物置于石墨容器中，在高温高纯氢气压力条件下进行氢化处理得到碳化钛；
步骤二，使用改性剂对碳化钛进行改性得到改性碳化钛：将制备的碳化钛置于研磨机中进行充分研磨，得到小粒径碳化钛；将甲基三甲氧基
硅烷与甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷进行混合，搅拌均匀后进行超声分散，得到改性剂；将小粒径碳化钛与改性剂混合并对改性剂进行浸没，加热并搅拌，加热结束后得到改性混合液；将改性混合液置于离心机中离心，收集固态物质即改性碳化钛；
步骤三，进行轻质高强度硬质合金材料原料的预处理：按照质量份数称取锆、硅、铜、镍、锰、铁、铌、铬进行混合，并置于球磨机中；向球磨机中加入乙醇溶液，搅拌均匀后进行第一次球磨；第一次球磨结束后向球磨机中加入改性碳化钛，并放入锆球，进行第二次球磨，收集球磨产物，得到处理后的轻质高强度硬质合金材料原料；
步骤四，使用处理后的轻质高强度硬质合金材料原料进行轻质高强度硬质合金材料的制备：将轻质高强度硬质合金材料放入模具中，高压压制成型得到胚体；向模具中注入氟化
锂对胚体进行改性，得到改性胚体；将改性坯体在真空高温条件下进行烧结，烧结结束后对模具进冷却、放气，冷却至室温得到轻质高强度硬质合金材料成品。
进一步，步骤一中，所述真空脱氢的温度为600～700℃，真空脱氢时间为2～6h。
进一步，步骤一中，所述气流磨处理的压力为0.3～0.7mpa，处理时间为3～4h。
进一步，步骤一中，所述氢化处理的温度为850～1200℃，氢化处理的压力为0.1～0.3mpa。
进一步，步骤二中，所述超声分散的频率为50～60khz，超声分散的时间为20～25min。
进一步，步骤二中，所述加热的温度为55～70℃，加热时间为2～4h。
进一步，步骤三中，所述乙醇溶液的体积浓度为75％。
进一步，步骤三中，所述第一次球磨的球磨压力为50～60n、球磨时间为20～30min。
进一步，步骤三中，所述第二次球磨的球磨压力为50～80n、球磨时间为10～20min。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的轻质高强度硬质合金材料的原料配比合理，具有生产控制难度小、生产成本低的优点，有利于降低材料制备的成本；在进行轻质高强度硬质合金材料的制备中，碳是保证合金材料获得高强度、高硬度的有效强化元素之一，它可以显著提高钢的强度和硬度，防止淬火组织中出现铁素体，生产的高强度合金硬度高且质量轻，能够满足市场的多样化的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的轻质高强度硬质合金材料的制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的进行钛粉的制备并使用制备的钛粉、碳粉进行碳化钛的制备流程图。
图3是本发明实施例提供的使用改性剂对碳化钛进行改性得到改性碳化钛流程图。
图4是本发明实施例提供的进行轻质高强度硬质合金材料原料的预处理流程图。
图5是本发明实施例提供的使用处理后的轻质高强度硬质合金材料原料进行轻质高强度硬质合金材料的制备流程图。
图6是本发明实施例提供的实施案例1所制得样品轻质高强度硬质合金材料硬度压痕及裂纹的金相照片图；
图7是本发明中实施案例2所制得样品轻质高强度硬质合金材料显微硬度压痕及裂纹的金相照片图；
图8是本发明中实施案例3所制得样品的轻质高强度硬质合金材料断口扫面电子显微镜照片图；
图9是本发明中实施案例3所制得样品轻质高强度硬质合金材料的断口扫面电子显微镜照片图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种轻质高强度硬质合金材料及其制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的轻质高强度硬质合金材料按照质量份数由钛6～8份、碳1～2份、锆3～6份、硅2～5份、铜1～4份、镍2～3份、锰2～3份、铁1～2份、铌1～2份、铬1～3份组成。
如图1所示，本发明实施例提供的轻质高强度硬质合金材料的制备方法包括以下步骤：
s101，进行钛粉的制备并使用制备的钛粉、碳粉进行碳化钛的制备；
s102，使用改性剂对碳化钛进行改性得到改性碳化钛；
s103，进行轻质高强度硬质合金材料原料的预处理；
s104，使用处理后的轻质高强度硬质合金材料原料进行轻质高强度硬质合金材料的制备。
如图2所示，本发明实施例提供的进行钛粉的制备并使用制备的钛粉、碳粉进行碳化钛的制备，包括：
s201，将氢化钛真空脱氢，后置于氩气压力条件下进行气流磨处理，得到高纯度钛粉；
s202，按照质量份数称取高纯度钛粉6～8份、碳粉1～2份，分别进行钛粉、碳粉的研磨得到粒径均一的钛粉、粒径均一的碳粉；
s203，将钛粉与碳粉进行混合，搅拌均匀后进行减压成形得到复合物；
s204，将复合物置于石墨容器中，在高温高纯氢气压力条件下进行氢化处理得到碳化钛。
步骤s201中，本发明实施例提供的真空脱氢的温度为600～700℃，真空脱氢时间为2～6h。
步骤s201中，本发明实施例提供的气流磨处理的压力为0.3～0.7mpa，处理时间为3～4h。
步骤s204中，本发明实施例提供的氢化处理的温度为850～1200℃，氢化处理的压力为0.1～0.3mpa。
如图3所示，本发明实施例提供的使用改性剂对碳化钛进行改性得到改性碳化钛，包括：
s301，将制备的碳化钛置于研磨机中进行充分研磨，得到小粒径碳化钛；
s302，将甲基三甲氧基硅烷与甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷进行混合，搅拌均匀后进行超声分散，得到改性剂；
s303，将小粒径碳化钛与改性剂混合并对改性剂进行浸没，加热并搅拌，加热结束后得到改性混合液；
s304，将改性混合液置于离心机中离心，收集固态物质即改性碳化钛。
步骤s202中，本发明实施例提供的超声分散的频率为50～60khz，超声分散的时间为20～25min。
步骤s203中，本发明实施例提供的加热的温度为55～70℃，加热时间为2～4h。
如图4所示，本发明实施例提供的进行轻质高强度硬质合金材料原料的预处理，包括：
s401，按照质量份数称取锆、硅、铜、镍、锰、铁、铌、铬进行混合，并置于球磨机中；
s402，向球磨机中加入乙醇溶液，搅拌均匀后进行第一次球磨；
s403，第一次球磨结束后向球磨机中加入改性碳化钛，并放入锆球，进行第二次球磨，收集球磨产物，得到处理后的轻质高强度硬质合金材料原料。
步骤s402中，本发明实施例提供的乙醇溶液的体积浓度为75％。
步骤s402中，本发明实施例提供的第一次球磨的球磨压力为50～60n、球磨时间为20～30min。
步骤s403中，本发明实施例提供的第二次球磨的球磨压力为50～80n、球磨时间为10～20min。
如图5所示，本发明实施例提供的使用处理后的轻质高强度硬质合金材料原料进行轻质高强度硬质合金材料的制备，包括：
s501，将轻质高强度硬质合金材料放入模具中，高压压制成型得到胚体；
s502，向模具中注入氟化锂对胚体进行改性，得到改性胚体；
s503，将改性坯体在真空高温条件下进行烧结，烧结结束后对模具进冷却、放气，冷却至室温得到轻质高强度硬质合金材料成品。
下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步描述。
实施例1
一种轻质高强度硬质合金材料，所述轻质高强度硬质合金材料按照质量份数由钛6份、碳1份、锆3份、硅2份、铜1份、镍2份、锰2份、铁1份、铌1份、铬1份组成。
实施例2
一种轻质高强度硬质合金材料，所述轻质高强度硬质合金材料按照质量份数由钛8份、碳2份、锆6份、硅5份、铜4份、镍3份、锰3份、铁2份、铌2份、铬3份组成。
实施例3
一种轻质高强度硬质合金材料，所述轻质高强度硬质合金材料按照质量份数由钛7份、碳1.5份、锆4.5份、硅3.5份、铜2.5份、镍2.5份、锰2.5份、铁1.5份、铌1.5份、铬2份组成。
下面结合实验数据对本发明积极效果作进一步描述。
本发明产品轻质高强度硬质合金材料其性能见表1。表1实施案例1-3所制得试样的性能
图6是本发明实施例提供的实施案例1所制得样品轻质高强度硬质合金材料硬度压痕及裂纹的金相照片图；
图7是本发明中实施案例2所制得样品轻质高强度硬质合金材料显微硬度压痕及裂纹的金相照片图；
图8是本发明中实施案例3所制得样品的轻质高强度硬质合金材料断口扫面电子显微镜照片图；
图9是本发明中实施案例3所制得样品轻质高强度硬质合金材料的断口扫面电子显微镜照片图。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一，进行钛粉的制备并使用制备的钛粉、碳粉进行碳化钛的制备：将氢化钛真空脱氢，后置于氩气压力条件下进行气流磨处理，得到高纯度钛粉；按照质量份数称取高纯度钛粉6～8份、碳粉1～2份，分别进行钛粉、碳粉的研磨得到粒径均一的钛粉、粒径均一的碳粉；将钛粉与碳粉进行混合，搅拌均匀后进行减压成形得到复合物；将复合物置于石墨容器中，在高温高纯氢气压力条件下进行氢化处理得到碳化钛；
步骤二，使用改性剂对碳化钛进行改性得到改性碳化钛：将制备的碳化钛置于研磨机中进行充分研磨，得到小粒径碳化钛；将甲基三甲氧基硅烷与甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷进行混合，搅拌均匀后进行超声分散，得到改性剂；将小粒径碳化钛与改性剂混合并对改性剂进行浸没，加热并搅拌，加热结束后得到改性混合液；将改性混合液置于离心机中离心，收集固态物质即改性碳化钛；
步骤三，进行轻质高强度硬质合金材料原料的预处理：按照质量份数称取锆、硅、铜、镍、锰、铁、铌、铬进行混合，并置于球磨机中；向球磨机中加入乙醇溶液，搅拌均匀后进行第一次球磨；第一次球磨结束后向球磨机中加入改性碳化钛，并放入锆球，进行第二次球磨，收集球磨产物，得到处理后的轻质高强度硬质合金材料原料；
步骤四，使用处理后的轻质高强度硬质合金材料原料进行轻质高强度硬质合金材料的制备：将轻质高强度硬质合金材料放入模具中，高压压制成型得到胚体；向模具中注入氟化锂对胚体进行改性，得到改性胚体；将改性坯体在真空高温条件下进行烧结，烧结结束后对模具进冷却、放气，冷却至室温得到轻质高强度硬质合金材料成品。
2.如权利要求1所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述真空脱氢的温度为600～700℃，真空脱氢时间为2～6h。
3.如权利要求1所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述气流磨处理的压力为0.3～0.7mpa，处理时间为3～4h。
4.如权利要求1所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述氢化处理的温度为850～1200℃，氢化处理的压力为0.1～0.3mpa。
5.如权利要求1所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述超声分散的频率为50～60khz，超声分散的时间为20～25min。
6.如权利要求1所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述加热的温度为55～70℃，加热时间为2～4h。
7.如权利要求1所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述乙醇溶液的体积浓度为75％。
8.如权利要求1所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述第一次球磨的球磨压力为50～60n、球磨时间为20～30min。
9.如权利要求1所述轻质高强度硬质合金材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述第二次球磨的球磨压力为50～80n、球磨时间为10～20min。
10.一种轻质高强度硬质合金材料，其特征在于，所述轻质高强度硬质合金材料按照质量份数由钛6～8份、碳1～2份、锆3～6份、硅2～5份、铜1～4份、镍2～3份、锰2～3份、铁1～2份、铌1～2份、铬1～3份组成。
技术总结
本发明属于材料制备技术领域，公开了一种轻质高强度硬质合金材料及其制备方法，所述轻质高强度硬质合金材料按照质量份数由钛6～8份、碳1～2份、锆3～6份、硅2～5份、铜1～4份、镍2～3份、锰2～3份、铁1～2份、铌1～2份、铬1～3份组成。本发明提供的轻质高强度硬质合金材料的原料配比合理，具有生产控制难度小、生产成本低的优点，有利于降低材料制备的成本；在进行轻质高强度硬质合金材料的制备中，碳是保证合金材料获得高强度、高硬度的有效强化元素之一，它可以显著提高钢的强度和硬度，能够防止淬火组织中出现铁素体，生产的高强度合金硬度高且质量轻，能够满足市场的多样化的需求。
技术研发人员：魏昭然
受保护的技术使用者：江苏轩辕特种材料科技有限公司
技术研发日：2021.05.08
技术公布日：2021.08.27
声明：
“轻质高强度硬质合金材料及其制备方法与流程” 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。
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编辑：北方有色网
来源：江苏轩辕特种材料科技有限公司
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