CN101041875A - 一种高强高韧耐高温金属陶瓷材料 - Google Patents

一种高强高韧耐高温金属陶瓷材料 Download PDF

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Abstract

一种高强高韧耐高温金属陶瓷材料，适用于制造热挤压模具、高温结构材料、切削刀具等，可大幅度提高上述材料的强度、韧性及耐高温性能，延长使用寿命。所述的金属陶瓷材料由锆刚玉及钨、铬、钴、镍、稀土组成，所述的锆刚玉占总重量的5％～40％，所述的钨占总重量的20％－80％，所述的铬占总重量的10％－50％，所述的钴占总重量的0.1％－20％，所述的镍占总重量的1％－20％，所述稀土占总重量的0－15％；所述的锆刚玉是由占总重量70％－95％的三氧化二铝和占总重量5％－30％的二氧化锆组成，所述的金属陶瓷材料可以采用热压、热等静压、真空烧结气氛保护烧结工艺烧结而成。

Description

一种高强高韧耐高温金属陶瓷材料
技术领域
本发明涉及一种材料特别涉及陶瓷材料，具体来说是一种金属陶瓷材料。
背景技术
目前，挤压是铜、铝等金属材料加工中不可缺少的重要手段，目前有色金属加工行业用的挤压模主要是钢模和金属陶瓷模两种。对于变形抗力较大的铜合金则几乎全部采用的是金属陶瓷模(成分为：W、Cr、Ni、Al2O3等)，但从使用情况来看，现有的金属陶瓷模具寿命仍不尽人意，特别是挤压白铜合金时情况更加严重，其平均寿命只有40～60根；另一方面，金属陶瓷模具目前的价格相当高。专利发明人通过详细研究发现，目前以三氧化二铝作为陶瓷相的金属陶瓷材料虽然高温硬度达到要求，但由于其韧性较差，使用中热挤压模具容易开裂而失效，因此改善金属陶瓷材料的韧性是提高金属陶瓷热挤压模具寿命的重要途径。
与三氧化二铝相比，二氧化锆虽然硬度较低，但具有较高的韧性。锆刚玉(Al2O3·XZrO2)是一种由刚玉(Al2O3)和氧化锆(ZrO2)在2000℃以上高温合成的高强高韧陶瓷材料，其具有与三氧化二铝相近的硬度，并且韧性有很大提高，能够明显抑制陶瓷材料中的脆性断裂、显著提高材料的抗热震性能；另一方面，由于氧化锆与镍等金属的润湿性能比三氧化二铝与金属的润湿性能好，因此陶瓷相中含有氧化锆成份能够提高陶瓷相与金属相之间的润湿性，从而增加界面结合强度，提高材料整体性能。添加La2O3、Y2O3等稀土氧化物对ZrO2的晶体稳定性有很明显的提高作用，并能进一步改善陶瓷相与金属相之间的界面结合状况。锆刚玉中氧化锆含量的多少对锆刚玉的稳定性、硬度、韧性、抗热震等性能有较大影响，因此如何针对特定的用途调整选择适当的锆刚玉成份是难点也是问题的关键。以前锆刚玉主要用于耐火材料领域，在喷涂方面也有少量应用，但在高性能金属陶瓷方面的应用并未引起人们的足够重视。
本发明在充分研究了锆刚玉粉末材料性质的基础上，针对有色金属高温挤压模具的用途要求，通过大量试验，提出采用锆刚玉(Al2O3·XZrO2)为陶瓷相原料，添加W、Cr、Ni、稀土等粘结相成份，所制备高强度、高韧性、耐高温金属陶瓷材料，性能检测表明，采用该材料制造的高温模具材料具有良好的耐磨性能和抗热震性能，并具有很长的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于为解决现有金属陶瓷热挤压模具材料易开裂失效、寿命短的缺点，提出一种金属陶瓷材料，这种金属陶瓷材料具有高强度、高韧性和耐高温的特点，适用于制造热挤压模具、高温结构材料、切削刀具等，可大幅度提高上述材料的强度、韧性及耐高温性能，延长使用寿命。
本发明的目的是通过下述方式实现的：
本发明的金属陶瓷材料包括锆刚玉、钨、铬、钴、镍，所述的锆刚玉占总重量的5～40％，所述的钨占总重量的20％-80％，所述的铬占总重量的10％-50％，所述的钴占总重量的0.1％-20％，所述的镍占总重量的1％-20％。
本发明的金属陶瓷材料还包括稀土，所述稀土占总重量的0-15％。
所述的锆刚玉是由占总重量70％-95％的三氧化二铝和占总重量5％-30％的二氧化锆组成。其粒度范围为：1-100μm。
本发明的金属陶瓷材料各成分优选的重量百分比为：锆刚玉占总重量的5～30％，所述的钨占总重量的30％-55％，所述的铬占总重量的20％-40％，所述的钴占总重量的1％-5％，所述的镍占总重量的5％-10％。
本发明金属陶瓷材料制备工艺为：配料、混合、成型、烧结、后加工；其中烧结可以采用以下三种的烧结工艺：①热压烧结：温度1600℃-1900℃，烧结时间30-60分钟，施加压力1～30MPa，气氛：真空或氩气、氮气、氢气保护气氛。
②热等静压烧结：1500℃-1900℃，压力50-200Mpa，气氛：氩气、氮气、氢气保护气氛，烧结时间3-8小时。
③真空预烧结+气氛烧结：温度由室温-1400℃时真空气氛预烧结，时间2-4小时，1400℃-1900℃是氩气、氮气或氢气保护下烧结，时间0.5-3小时。
由于本发明的金属陶瓷材料可以很好地解决现有金属陶瓷热挤压模具材料易开裂失效、寿命短的缺点，具有高强度、高韧性和耐高温的特点，由本发明的材料制备得到的热挤压模具、高温结构材料、切削刀具等相应的强度、韧性及耐高温性能均得到了大幅度提升，也延长了使用寿命。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细说明，下面的例子只是符合本发明技术内容的几个实例，并不说明本发明仅限于下述实例所述的内容，本行业中的技术人员依照本发明权利要求项制造的产品均属本发明内容。
实施例1
热压烧结工艺
1)配料：W：147g，Cr：105g，Ni：20g，Co：4g，锆刚玉粉(Al2O3·0.25ZrO2)(平均粒度100μm)：18g。
2)球磨混料：将配置好的粉末装入硬质合金球磨罐内，用100ml乙醇作球磨介质，球磨时间为72小时，球磨后将粉末在真空在烘干。
3)热压烧结：把粉末装入石墨模具中烧结，烧结在热压烧结炉中进行，烧结温度为1800℃，烧结时间30分钟，施加压力20MPa，烧结在氩气保护气氛下进行。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例2
热压烧结工艺
1)配料：W：123g，Cr：105g，Ni：20g，Co：4g，La2O3：4g，锆刚玉粉((Al2O3·0.25ZrO2))(平均粒度150μm)：38g。
2)球磨混料：同实施例1。
3)热压烧结：同实施例1。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例3
热压烧结工艺
1)配料：W：70g，Cr：145g，Ni：5g，Co：0.3g锆刚玉粉((Al2O3·0.1ZrO2))(平均粒度20μm)：80g。
2)球磨混料：同实施例1。
3)热压烧结：同实施例1。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例4
热压烧结工艺
4)配料：W：100g，Cr：90g，Ni：18g，Co：4g锆刚玉粉(Al2O3·0.1ZrO2)(平均粒度20μm)：88g。
5)球磨混料：同实施例1。
6)热压烧结：同实施例1。
所制备的材料性能如表1所示。
对比例1
热压烧结工艺
1)配料：按重量百分比称量各种原料。其中W：123g，Cr：105g，Ni：20g，Co：4g，La2O3：4g，白刚玉粉(Al2O3，平均粒度150μm)：38g。
2)球磨混料：同实施例1。
3)热压烧结：同实施例1。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例5
热等静压烧结工艺
1)配料：同实施例2。
2)球磨混料：将配置好的粉末装入硬质合金球磨罐内，加入15g石蜡作成型剂，用100ml乙醇作球磨介质，球磨时间为72小时，球磨后将粉末在真空在烘干。
3)成型：将粉末钢制模具先进行模压，再真空包套，然后冷等静压成型，压力：100MPa。
4)脱胶：由室温逐渐升温至680℃，时间：6小时。
5)热等静压烧结：烧结温度1600℃，压力80MPa。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例6
热等静压烧结工艺
1)配料：按重量百分比称量各种原料。其中W：111g，Cr：105g，Ni：20g，Co：4g，La2O3：4g，锆刚玉粉((Al2O3·0.1ZrO2))(平均粒度20μm)：50g。
2)球磨混料：同实施例1。
3)成型：同实施例4。
4)脱胶：同实施例4。
5)热等静压烧结：烧结温度1600℃，压力200MPa。
所制备的材料性能如表1所示。
对比例2
热等静压烧结工艺
4)配料：按重量百分比称量各种原料。其中W：123g，Cr：105g，Ni：20g，Co：4g，La2O3：4g，白刚玉粉(Al2O3，平均粒度20μm)：50g。
5)球磨：同实施例1。
6)热压烧结：同实施例1。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例7
真空预烧结+气氛烧结工艺
1)配料：按重量百分比称量各种原料。其中W：123g，Cr：105g，Ni：20g，Co：4g，La2O3：4g，锆刚玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)：38g。
2)球磨混料：同实施例1。
3)成型：同实施例4。
4)脱胶：同实施例4。
5)真空烧结气氛保护烧结：在0-1300℃真空气氛下烧结，1300℃保温30分钟后通氩气保护，继续升温至1700℃保温30分钟。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例8
真空预烧结+气氛烧结工艺
1)配料：按重量百分比称量各种原料。其中W：235g，Cr：35g，Ni：14g，Co：1g，锆刚玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)：15g。
2)球磨混料：同实施例1。
3)成型：同实施例4。
4)脱胶：同实施例4。
5)真空烧结气氛保护烧结：在0-1300℃真空气氛下烧结，1300℃保温30分钟后通氩气保护，继续升温至1700℃保温30分钟。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例9
真空预烧结+气氛烧结工艺
1)配料：按重量百分比称量各种原料。其中W：80g，Cr：44g，Ni：4g，Co：55g，锆刚玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)：120g。
2)球磨混料：同实施例1。
3)成型：同实施例4。
4)脱胶：同实施例4。
5)真空烧结气氛保护烧结：在0-1300℃真空气氛下烧结，1300℃保温30分钟后通氩气保护，继续升温至1700℃保温30分钟。
所制备的材料性能如表1所示。
实施例10
真空预烧结+气氛烧结工艺
1)配料：按重量百分比称量各种原料。其中W：80g，Cr：44g，Ni：55g，Co：1g，La2O3：40g，锆刚玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)：80g。
2)球磨混料：同实施例1。
3)成型：同实施例4。
4)脱胶：同实施例4。
5)真空烧结气氛保护烧结：在0-1300℃真空气氛下烧结，1300℃保温30分钟后通氩气保护，继续升温至1700℃保温30分钟。
所制备的材料性能如表1所示。
对比例3
真空预烧结+气氛烧结工艺
1)配料：按重量百分比称量各种原料。其中W：123g，Cr：105g，Ni：20g，Co：4g，La2O3：4g，白刚玉粉(Al2O3，平均粒度20μm)：38g。
2)球磨：同实施例1。
3)热压烧结：同实施例1。
所制备的材料性能如表1所示。表1：实施例与对比例材料性能指标
序号  模具重量/g 高温硬度(Hv) 被挤压材料 模具平均寿命/次
 1000℃  800℃
实施例1  230  530  610 铜合金 3050
实施例2  233  570  670 铜合金 3350
对比例1  228  575  490 铜合金 1635
实施例3  236  545  608 铜合金 2700
实施例4  235  550  610 铜合金 3300
实施例5  237  540  600 铜合金 3230
实施例6  230  580  690 铜合金 3440
对比例2  227  582  698 铜合金 1880
实施例7  232  500  590 铜合金 2800
实施例8  233  490  570 铜合金 2600
实施例9  235  610  670 铜合金 2550
实施例10  230  510  550 铜合金 2420
对比例3  235  544  603 铜合金 1320

Claims (4)

1、一种高强高韧耐高温金属陶瓷材料，其特征在于：包括锆刚玉、钨、铬、钴、镍，所述的锆刚玉占总重量的5～40％，所述的钨占总重量的20％-80％，所述的铬占总重量的10％-50％，所述的钴占总重量的0.1％-20％，所述的镍占总重量的1％-20％。
2、根据权利要求1所述的一种高强高韧耐高温金属陶瓷材料，其特征在于：锆刚玉占总重量的5～30％，所述的钨占总重量的30％-55％，所述的铬占总重量的20％-40％，所述的钴占总重量的1％-5％，所述的镍占总重量的5％-10％。
3、根据权利要求1或2所述的一种高强高韧耐高温金属陶瓷材料，其特征在于：还包括稀土，所述稀土占总重量的0-15％。
4、根据权利要求1或2所述的一种高强高韧耐高温金属陶瓷材料，其特征在于：锆刚玉是由占总重量70％-95％的三氧化二铝和占总重量5％-30％的二氧化锆组成。
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