CN101435047B

CN101435047B - 含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN101435047B
Application number: CN2008102369034A
Authority: CN
Inventors: 熊惟皓; 杨青青; 瞿峻; 孙文礼; 李俊; 姚振华
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: CN101435047A

Abstract

含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷及其制备方法，属于金属陶瓷材料，目的在于使该金属陶瓷的高温抗氧化性得到改善。本发明的金属陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr₃C₂、Ni、Cr和石墨粉末，经球磨混料、模压成型、真空脱脂和真空烧结制成，其组成成分重量百分比为：33≤Ti≤49，4≤W≤9，11≤Mo≤17，12≤Ni≤34，4≤Cr≤10.5，7.5≤C≤11，2≤N≤3。本发明的方法，包括球磨混料、模压成型、真空脱脂和真空烧结步骤。本发明的金属陶瓷，在高温环境中具有好的刚性、红硬性、耐磨性、抗氧化性、抗热震性和抗粘附性，摩擦系数低，可用于制作高速高效切削刀具、铜型材热挤压模和耐热耐蚀耐磨零部件。

Description

含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料，具体涉及一种含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

Ti(C，N)基金属陶瓷是20世纪70年代出现的一种新型颗粒增强型复合金材料，与WC基硬质合金相比，其高温红硬性、耐磨性、刚性和抗粘附性好，且密度低，主要原料丰富，是制作刀具、拉丝模、热挤压模、发动机热端高温部件及石化工业中高温耐磨零部件的理想工程材料。但是，Ti(C，N)基金属陶瓷的强韧性对其化学成分和显微组织结构十分敏感，往往难以同时具有高硬度和高强韧性，这制约了其在工模具等领域中的推广应用。为此，工业发达国家尤其是物质资源匮乏的日本，高度重视Ti(C，N)基金属陶瓷的基础研究及其产品研发。为了提高Ti(C，N)基金属陶瓷的综合性能水平尤其是强韧性水平，目前国内外广泛采用Ni、Co或者Ni-Co作为粘结剂。这些Ti(C，N)基金属陶瓷已广泛用于制作车刀、面铣刀、钻头、齿轮滚铣刀等刀具与拉丝模、压制模等模具。然而，含Ni、Co或者Ni-Co粘结剂的Ti(C，N)基金属陶瓷，因高温抗氧化性不理想，组织性能不稳定，因而由其制作的刀具进行高速高效切削时使用寿命短(切削温度可达1000℃)，由其制作的热挤压模挤压铜型材时使用寿命也短(挤压温度为780～850℃)，见Oxidation behavior of titanium carbonitride based materials，Corrosion Science，2002，44：1967-1982；Oxidation of Ti(C，N)-based ceramics exposed at 1373Kin air，Journal of American Ceramic Society，2000，83(3)：672-674。可见，Ti(C，N)基金属陶瓷要用于制作高性能高速高效切削刀具和铜型材热挤压模，必须提高其高温抗氧化性。

发明内容

本发明提供一种含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷及其制备方法，采用Ni-Cr合金作为该金属陶瓷的粘结剂，目的在于使该金属陶瓷的高温抗氧化性得到改善，适合制作高性能高速高效切削刀具和铜型材热挤压模具。

本发明的一种含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr₃C₂、Ni、Cr和石墨粉末，经球磨混料、模压成型、真空脱脂和真空烧结制成，最终烧结体中的硬质相为Ti(C，N)固溶体，粘结相为Ni-Cr固溶体，其组成成分重量百分比为：33≤Ti≤49，4≤W≤9，11≤Mo≤17，12≤Ni≤34，4≤Cr≤10.5，7.5≤C≤11，2≤N≤3，其中重量百分比为0.4～1.0％的Cr来自于Cr₃C₂粉末，其余Cr来自于Cr粉末。

所述的含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，其特征在于所述球磨混料步骤中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一种，其中元素Nb、Ta和Al占整个陶瓷材料重量百分比为：0≤Nb≤2，0≤Ta≤10，0≤Al≤1，且Nb、Ta和Al三者总含量大于0。

在本发明的金属陶瓷中，TiC的作用是作为硬质相，保证该金属陶瓷具有高的硬度和好的耐磨性；TiN的作用是抑制硬质相晶粒长大，提高该金属陶瓷的强韧性；Mo和WC的作用是改善Ni-Cr粘结剂对硬质相颗粒的润湿性，并控制环形相厚度，提高该金属陶瓷的强韧性；Cr₃C₂的作用是改善硬质相的塑性，提高该金属陶瓷的强度；Ni-Cr粘结剂的作用是保证该金属陶瓷具有高强韧性的同时，还具有好的高温抗氧化性；石墨的作用一方面是防止该金属陶瓷在真空烧结过程中发生脱碳，另一方面是其在真空烧结过程中与氧反应，降低该金属陶瓷中的氧含量，以提高相界面的润湿性。

在该金属陶瓷中，添加NbC和TaC的作用是提高该金属陶瓷的高温刚性、红硬性、抗氧化性和抗热震性；添加Al的作用是提高该金属陶瓷的高温抗氧化性。

本发明的金属陶瓷的制备方法，包括下述步骤：

(1)球磨混料：将能满足所述组成成分重量百分比的TiC、TiN、WC、Mo、Cr₃C₂、Ni、Cr和石墨粉末进行混合，采用球磨机进行湿式球磨而获得成分均匀的混合粉体，球磨介质为无水乙醇，转速150～300rpm，球磨时间24～48h；

(2)模压成型：添加重量百分比为3～8％的聚乙烯醇(PVA)，采用粉末制品压制机进行模压成型，压制压力150～300MPa；

(3)真空脱脂：采用真空热处理炉进行真空脱脂，真空度小于5Pa，脱脂温度200～400℃，保温时间4～8h；

(4)真空烧结：采用真空烧结炉进行真空烧结，真空度小于1×10^-1Pa，烧结温度1410～1460℃，保温时间0.75～1.5h。

所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述球磨混料步骤中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一种，其中元素Nb、Ta和Al占整个陶瓷材料重量百分比为：0≤Nb≤2，0≤Ta≤10，0≤Al≤1，且Nb、Ta和Al三者总含量大于0。

与Ni、Co和Ni-Co合金相比，含10～30％Cr(重量百分比)的Ni-Cr合金在高温具有好的抗氧化性、高的抗蠕变极限和一定的耐蚀性，已广泛用于制作热处理设备中的电加热元件、化工领域中的耐热耐蚀零部件等。此外，这类Ni-Cr合金也广泛用于制作耐热耐蚀涂层。为此，本发明以Ni-Cr合金作为粘结剂制备Ti(C，N)基金属陶瓷，使其在保持此类材料原有性能优势的基础上，其高温抗氧化性得到改善。

本发明的金属陶瓷，室温硬度≥87HRA，抗弯强度≥1700MPa，在高温氧化环境中具有好的刚性、红硬性、耐磨性、抗氧化性、抗热震性和抗粘附性，与金属材料之间的摩擦系数低，除可用于制作普通切削刀具、拉丝模和压制模外，还可用于制作高性能高速高效切削刀具、铜型材热挤压模和其它耐热耐蚀耐磨零部件。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进一步说明。

本发明所用TiC、TiN、Mo、WC、Cr₃C₂、Ni、Cr、石墨、NbC、Ta和Al粉末的平均粒度、氧含量和纯度如表1所示。

表1粉末的平均粒度、氧含量和纯度

实施例1

如表2所示，作为对比的A1、A2、A3、A4和A5五种配方的含Ni粘结剂的金属陶瓷，选用表1中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr₃C₂、Ni和石墨粉末作为原料；本发明的B1、B2、B3、B4和B5共五种配方的含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，选用表1中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr₃C₂、Ni、Cr和石墨粉末作为原料。这十种金属陶瓷的具体制备过程如下：首先根据表2中所示的成分进行配料，然后根据表3中所示的球磨混料工艺进行球磨混料获得成分均匀的混合粉末，接着添加适量聚乙烯醇根据表3中所示的模压成型工艺进行模压成型，最后根据表3中所示的真空脱脂和真空烧结工艺进行真空脱脂和真空烧结，获得致密的烧结体，真空脱脂和真空烧结时的真空度分别小于5Pa和1×10^-1Pa。这十种金属陶瓷的室温硬度、抗弯强度与在1000℃大气中氧化100h后的质量增幅及尺寸增幅(尺寸增幅为长、宽和高三个方向尺寸之和的平均值)如表4所示。

表2A组和B组金属陶瓷的成分(重量百分比)

注：表中A组配方、B组配方分别是含Ni粘结剂、含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，且A1、A2、A3、A4和A5五种配方的Ni粘结剂含量分别与B1、B2、B3、B4和B5五种配方中的Ni-Cr粘结剂含量是一致的(表中B1至B5种配方中的Cr含量包括Cr₃C₂组元中的Cr含量)。

表3A组和B组金属陶瓷的工艺参数

表4A组和B组金属陶瓷的室温力学性能与在1000℃大气中氧化100h后的质量增幅及尺寸增幅

实施例2

如表5所示，本发明的C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10共十种配方的含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，选用表1中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr₃C₂、Ni、Cr、石墨、NbC、TaC和Al粉末作为原料。这十种金属陶瓷的具体制备过程如下：首先根据表5中所示的成分进行配料，然后根据表6中所示的球磨混料工艺进行球磨混料获得成分均匀的混合粉末，接着添加适量的聚乙烯醇根据表6中所示的模压成型工艺进行模压成型，最后根据表6中的真空脱脂和真空烧结工艺进行真空脱脂和真空烧结，获得致密的烧结体，真空脱脂和真空烧结时的真空度分别小于5Pa和1×10^-1Pa。这十种含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷的室温硬度、抗弯强度与在1000℃大气中氧化100h后的质量增幅与尺寸增幅(尺寸增幅为长、宽和高三个方向尺寸增幅之和的平均值)如表7所示。

表5C组金属陶瓷的成分(重量百分比)

表6C组金属陶瓷的工艺参数

表7C组金属陶瓷的室温力学性能与在1000℃大气中氧化100h后的质量增幅及尺寸增幅

Claims

1.一种含有Ni-Cr粘结相的金属陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr₃C₂、Ni、Cr和石墨粉末，经球磨混料、模压成型、真空脱脂和真空烧结制成，最终烧结体中的硬质相为Ti(C，N)固溶体，粘结相为Ni-Cr固溶体，其组成成分重量百分比为：33≤Ti≤49，4≤W≤9，11≤Mo≤17，12≤Ni≤34，4≤Cr≤10.5，7.5≤C≤11，2≤N≤3，其中重量百分比为0.4～1.0％的Cr来自于Cr₃C₂粉末，其余Cr来自于Cr粉末。

2.如权利要求1所述的含有Ni-Cr粘结相的金属陶瓷，其特征在于所述球磨混料步骤中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一种，其中元素Nb、Ta和Al占整个陶瓷材料重量百分比为：0≤Nb≤2，0≤Ta≤10，0≤Al≤1，且Nb、Ta和Al三者总含量大于0。

3.权利要求1所述的金属陶瓷的制备方法，包括下述步骤：

(2)模压成型：添加重量百分比为3～8％的聚乙烯醇，采用粉末制品压制机进行模压成型，压制压力150～300MPa；

4.如权利要求3所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述的球磨混料步骤中添加NbC、TaC和Al三种粉末中的至少一种，其中元素Nb、Ta和Al占整个陶瓷材料重量百分比为：0≤Nb≤2，0≤Ta≤10，0≤Al≤1，且Nb、Ta和Al三者总含量大于0。