CN101890476A

CN101890476A - 一种无磁金属陶瓷模具及其制备方法

Info

Publication number: CN101890476A
Application number: CN 201010223748
Authority: CN
Inventors: 熊惟皓; 瞿峻; 杨青青; 姚振华; 蔺绍江; 李俊; 周敏; 彭倩筠; 黄玉柱
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: CN101890476B

Abstract

一种无磁金属陶瓷模具及其制备方法，属于金属陶瓷材料，解决现有无磁硬质合金模具性能较低、耐磨性不足的问题。本发明的无磁金属陶瓷模具，以(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末、Ni粉末、W粉末、Cr粉末和Mo粉末作为原料，经烧结后最终生成相中硬质相为(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)、粘结相为Ni-W-Cr-Mo固溶体；本发明的方法顺序包括预固溶处理、原料混合、模压成型、脱脂、真空烧结步骤。本发明的方法简单经济，制造的金属陶瓷模具硬度89.5～91.5HRA，抗弯强度≥2100MPa，断裂韧性K_IC≥12.5MPa.m^1/2，在电工、电子、汽车等无磁模具材料方面具有很好的推广应用前景。

Description

一种无磁金属陶瓷模具及其制备方法

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料，具体涉及一种无磁金属陶瓷模具及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，对磁性材料如NdFeB、铁氧体、Sm-Co合金等的应用越来越广泛，对其性能也越来越高。目前，这些磁性材料主要是采用粉末冶金方法来生产。但由于磁性粉末的磁晶是各向异性，在模压成形时一般采用强磁场来控制粉末的易磁化方向，使得压坯的易磁化方向沿指定方向分布。因此，其对成型模具要求在一定方向上必须是无磁性的。此外，手表表壳也要求材质无磁性且耐磨耐蚀。

目前，常用的无磁材料或无磁模具主要为高锰钢、无磁钢或无磁不锈钢。由于这些钢材的硬度较低，一般要对采用这些钢材制作的模具的模腔进行氯化处理以提高其硬度和耐磨性，尽管如此，硬度也仅为34～47HRC，因此，其耐磨性差，使用寿命短，且由于模壁粗糙度降低和模腔变形导致其制品的表面质量及尺寸精度显著降低，最终也导致其制品的成本较高且效益较低。WC-Ni系无磁硬质合金具有较高的硬度和强度，且其表面光洁度高、尺寸稳定，是一种较好的无磁模具材料。中国专利CN200810000790.8“一种镍钨、镍铬粘结相构成的无磁硬质合金粉末及制备方法”以及中国专利ZL03124256.1“无磁硬质合金及其制作方法”分别公开了两种以金属镍和其他金属单质构成的WC-Ni系粘结相的无磁硬质合金以及采用混合球磨的制备方法，但由于其粘结相为金属镍、钨和其他的金属单质，其在烧结过程中的固溶程度对其最终的性能影响较大，而且金属单质钨的加入易引起晶粒的粗大，导致这两个专利报道的材料性能仍较低，耐磨性仍显不足。

发明内容

本发明提供一种无磁金属陶瓷模具及其制备方法，解决现有的无磁硬质合金模具性能较低、耐磨性不足的问题，以提高无磁模具材料的性能。

本发明的一种无磁金属陶瓷模具，以(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末、Ni粉末、W粉末、Cr粉末和Mo粉末作为原料，经烧结制成，其特征在于：

原料中各组分重量百分比为：(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)45～65％，Ni 10～25％，W 10～20％，Cr 3～8％，Mo 6～12％；所述无磁金属陶瓷模具最终生成相中硬质相为(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)、粘结相为Ni-W-Cr-Mo固溶体。

本发明一种无磁金属陶瓷模具的制备方法，顺序包括：

一.预固溶处理步骤：将Ni粉末、W粉末、Cr粉末和Mo粉末混合，其中各组分重量比为：Ni 10～25，W 10～20，Cr 3～8，Mo 6～12；将混合粉末投入到球磨罐中在行星式球磨机上进行干磨，时间24～30小时，转速250～350rpm，球料比10∶1～15∶1，制备出Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末；

二.原料混合步骤：将制备的Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末和(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末混合，其中各组分重量百分比为：Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末55～35％，(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末45～65％；投入到球磨罐中在行星式球磨机上进行湿磨，球料比5∶1～7∶1，转速180～250rpm，时间36～48小时，形成混合原料；

三.模压成型步骤：将混合原料加入3wt％～8wt％的聚乙烯醇成型剂，然后模压成型构成压坯，模压压力150～300MPa；

四.脱脂步骤：对压坯采用真空烧结炉进行脱脂，真空度不低于5Pa，脱脂温度250℃～400℃，保温时间6～9h；

五.真空烧结步骤：对脱脂后的压坯采用真空烧结炉进行烧结，形成无磁金属陶瓷坯体，真空度不低于1×10^-1Pa，烧结温度1440℃～1460℃，保温时间50～80min。

本发明采用Ni、W、Cr和Mo作为无磁粘结相，并采用高能球磨实现Ni、W、Cr和Mo的预固溶，可以促进烧结过程中的固溶进程，避免金属单质的加入造成的烧结过程中的固溶不充分，并可提高其强度；同时，还可以显著降低其制品的居里点，使得其制品在室温下完全无磁性。通过采用高硬度的(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体作为硬质相原料，可以提高硬度以增强其耐磨性，延长模具寿命。此外，通过添加抗氧化性能优异的粘结相Cr和高熔点的Ta、Nb等元素的复式固溶体，可以提高模具的高温抗氧化性和高温硬度。

本发明原料全部采用市场销售(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末、Ni粉末、W粉末、Cr粉末和Mo粉末，采用现有粉末冶金方法就可以制备；无需改进设备和工艺，实施简单、经济。

采用本发明方法所制造的无磁金属陶瓷模具，其硬度89.5～91.5HRA，抗弯强度≥2100MPa，断裂韧性K_IC≥12.5MPa.m^1/2。其高温红硬性、耐磨性、化学稳定性和抗冲击韧性好，高温抗氧化能力强，在电工、电子、汽车等无磁模具材料方面具有很好的推广应用前景。

具体实施方式

实施例1：

1.预固溶处理：将Ni粉末、W粉末、Cr粉末和Mo粉末混合，其中各组分重量比为：Ni-22、W-16、Cr-6、Mo-6，配制6组等量的原料粉末，分别投入到球磨罐中在行星式球磨机上进行干磨，按照表1所示具体工艺参数，得到对应的A1、A2、A3、A4、A5和A6共6组Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末；

表1粘结相预固溶工艺

编号	球料比	球磨转速(rpm)	球磨时间(h)
				A1	10∶1	350	24
A2	10∶1	300	30
				A3	12∶1	300	28
A4	14∶1	300	28
				A5	15∶1	350	26

A6

15∶1

250

30

2.原料混合：将得到的A1、A2、A3、A4、A5、A6共6组Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末分别与(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末进行混合，其中各组分重量百分比为：Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末50％，(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末50％；投入到球磨罐中在行星式球磨机上进行湿磨，球料比均为5∶1，转速250rpm，时间48小时。得到相对应的B1、B2、B3、B4、B5和B6共6组组混合原料；

3.模压成型：将B1、B2、B3、B4、B5和B6共6组混合原料按照表2中的成型剂加入量及模压压力参数进行模压成型，并相应得到B10、B11、B12、B20、B21、B30、B31、B40、B41、B50、B51、B60和B61共13组压坯；

表2成型剂加入量及模压压力

4.脱脂：将B10、B11、B12、B20、B21、B30、B31、B40、B41、B50、B51、B60和B61共13组压坯按照表3脱脂工艺进行脱脂，得到对应的C10、C11、C12、C20、C21、C30、C31、C40、C41、C50、C51、C60和C61共13组脱脂压坯，真空度为不低于3Pa；

表3脱脂工艺

脱脂压坯	压坯	脱脂温度(℃)	保温时间(h)
				C10	B10	250	9
C11	B11	300	8
				C12	B12	400	6
C20	B20	350	8
				C21	B21	380	8
C30	B30	290	9
				C31	B31	400	7
C40	B40	400	9
				C41	B41	330	8
C50	B50	370	9
				C51	B51	390	9
C60	B60	380	6
				C61	B61	350	9

5.真空烧结：对C10、C11、C12、C20、C21、C30、C31、C40、C41、C50、C51、C60、C61共13组脱脂压坯采用真空烧结炉进行烧结，真空度不低于1×10^-1Pa，烧结温度均为1445℃，保温时间60min，得到对应的D10、D11、D12、D20、D21、D30、D31、D40、D41、D50、D51、D60和D61共13组陶瓷坯体，其力学性能如表4所示。

表4无磁金属陶瓷力学性能

陶瓷坯体	硬度(HRA)	抗弯强度(MPa)	断裂韧(MPa.m^1/2)
				D10	89.6	2130	12.6
D11	89.8	2230	13.2
				D12	89.7	2190	12.8
D20	89.8	2143	12.8

D21	89.9	2113	12.6
				D30	90.0	2123	12.6
D31	89.8	2315	13.4
				D40	89.9	2245	12.9
D41	89.8	2149	12.8
				D50	89.7	2213	13.1
D51	89.8	2237	13.0
				D60	89.8	2190	12.9
D61	89.7	2150	13.0

实施例2：

1.预固溶处理：按照表5中序号1、2、3、4、5、6、7所对应的配比，将Ni粉末、W粉末、Cr粉末和Mo粉末混合，得到对应的7组原料粉末，再将其分别投入到球磨罐中在行星式球磨机上进行干磨，按照表1中编号A4的具体工艺参数，得到对应的P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7共7组Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末；

表5无磁金属陶瓷的组成成分

序号	(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体(wt％)	Ni(wt％)	W(wt％)	Cr(wt％)	Mo(wt％)	预固溶粉末
							1	45	23	20	3	9	P1
2	45	25	17	7	6	P2
							3	50	20	16	6	8	P3
4	55	15	14	4	12	P4
							5	60	10	13	8	9	P5
6	63	13	10	7	7	P6

7

65

12

10

6

7

P7

2.原料混合：将P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7共7组Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末对应按重量百分比与表5中序号1、2、3、4、5、6、7的(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末进行混合，投入到球磨罐中在行星式球磨机上进行湿磨，球料比均为7∶1，转速180rpm，时间36小时，得到相对应的7组混合原料；

3.模压成型：将7组混合原料各加入5％的成型剂，然后进行模压成型，模压压力均为250MPa，得到相应的7组压坯；

4.脱脂：对7组压坯采用真空脱脂，脱脂温度300℃，保温时间8h，真空度为5Pa，得到对应的T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7共7组脱脂压坯；

5.真空烧结：对7组脱脂压坯采用真空烧结炉进行烧结，真空度不低于8.0×10^-2Pa，烧结温度及保温时间如表6所示，得到对应的M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7共7组陶瓷坯体，其力学性能如表7所示。

表6真空烧结工艺

陶瓷坯体	脱脂压坯	烧结温度(℃)	保温时间(min)
				M1	T1	1445	50

M2	T2	1440	80
				M3	T3	1448	60
M4	T4	1450	60
				M5	T5	1460	70
M6	T6	1455	50
				M7	T7	1453	60

表7无磁金属陶瓷力学性能

陶瓷坯体	硬度(HRA)	抗弯强度(MPa)	断裂韧(MPa.m^1/2)
				M1	89.8	2139	13.1
M2	89.9	2210	13.5

M3	90.3	2198	12.8
				M4	90.5	2201	12.8
M5	90.9	2177	12.6
				M6	91.3	2171	12.6
M7	91.5	2181	12.5

实施例3：

1.预固溶处理：按照表5中序号4的配比，将Ni粉末、W粉末、Cr粉末和Mo粉末混合，投入到球磨罐中在行星式球磨机上进行干磨，按照表1中编号A3的具体工艺参数，得到Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末；

2.原料混合：将得到的Ni-W-Cr-Mo预固溶粉末按照表5中序号4的重量百分比和(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末混合，投入到球磨罐中在行星式球磨机上进行湿磨，球料比均为6∶1，转速200rpm，时间40小时，得到混合原料；

3.模压成型：将混合原料中加入5％的成型剂，然后模压成型得到压坯，模压压力250MPa；

4.脱脂：对压坯采用真空烧结炉进行脱脂，真空度2Pa，脱脂温度300℃，保温时间8h，得到脱脂压坯；

5.真空烧结：将脱脂压坯采用真空烧结炉进行烧结，真空度不低于7.0×10^-2Pa，烧结温度1455℃，保温时间60min，得到陶瓷坯体，其力学性能：硬度90.8HRA，抗弯强度2199MPa，断裂韧性13.0MPa.m^1/2。

Claims

1.一种无磁金属陶瓷模具，以(W，Ti，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末、Ni粉末、W粉末、Cr粉末和Mo粉末作为原料，经烧结制成，其特征在于：

2.一种权利要求1所述无磁金属陶瓷模具的制备方法，顺序包括：