CN102409191B - 高TiC含量铁基金属陶瓷材料的烧结制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烧结制备高陶瓷含量铁基碳化钛金属陶瓷的方法。其成份配方为：TiC为45wt％－80wt％，铁基粘结相的含量在20wt％－55wt％；其中铁基粘结相的最佳成份为：Fe为65wt％－80wt％，Mo为1wt％－5wt％，Ni为2wt％－10wt％，Mn为0wt％－10wt％，Cr为10wt％－22wt％，Ti为0wt％－2.5wt％，Si为0wt％－2.5wt％。按以上配方配好的粉末在混合均匀后，被压制成10x10x2厘米的毛坯；然后将毛坯放入真空炉中，抽真空；接着以10℃/min的速率升温至200℃；保温10分钟；然后接着以10℃/min的速率升温至400℃，再保温10分钟；就这样以10℃/min的速率升温，每隔200℃，保温10分钟，直至烧结温度1450℃；烧结4小时后，随炉冷却至室温。本发明可以大大改善铁基粘结相与碳化钛陶瓷相之间的润湿性，使得铁基粘结相与碳化钛陶瓷在高温烧结时能够充分润湿，从而可以获得完全致密的铁基金属陶瓷。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁基金属陶瓷材料的制备方法,特别是涉及一种高TiC含量的铁基金属陶瓷材料烧结制备方法。
技术背景
由于钨和钴资源的限制，许多西方国家重点发展以TiC陶瓷为增强相，镍和镍合金为粘结相的无钨钴硬质合金，并得到了批量生产。95％的贫钨国家都逐渐使用TiC－Ni系金属陶瓷来替代钨钴硬质合金。用资源更为丰富，价格更低廉的铁和铁合金作为粘合相的金属陶瓷则是未来研究的发展方向。这对于象我国这样镍资源并不丰富的国家，开发铁基金属陶瓷的意义就更大。用铁基粘合相代替镍基粘合相， 大大降低了铁基金属陶瓷的制备成本。其制备成本只有镍基金属陶瓷的一半。为金属陶瓷的大规模商业推广奠定了坚实的基础。由于铁的化学活性较钴和镍高，更易于氧化，其与TiC的润湿性也较镍和钴差，加上液相烧结温度较镍基金属陶瓷要高不少，目前国内外发展的铁基金属陶瓷的性能尚不理想，特别是关键指标孔隙度过大，严重制约了其在航天、航海、军工等行业特殊工况下的应用。在低TiC含量（40wt％以下）的铁基金属陶瓷， 由于这类铁基金属陶瓷可以通过高温锻造工艺来消除烧结后的基体组织中存在着一定数量的孔洞，然后通过热处理工艺来获得高硬度。但是这类铁基金属陶瓷虽然室温具有很高的硬度，但是高温强度和硬度却显得不足，这就难以发挥出金属陶瓷的优势。这类铁基金属陶瓷我国有GT35和R5（TiC陶瓷含量分别为35wt％和40wt%）两种牌号， 其在退火态的硬度分别只有HRC46和HRC48，难以满足高温（如高速切削）需求。对于TiC含量超过45wt％以上的铁基金属陶瓷， 由于烧结孔隙率难以降低，材料性能难以满足应用需求， 至今国内外尚未有得到实际应用的报到。
发明内容
本发明的目的是提供一种高TiC含量的铁基金属陶瓷材料的烧结制备方法。经过大量的试验和优化，得到了铁基粘结相的最佳成份，使得铁基粘结相在高温烧结或合成时，能够与TiC陶瓷相充分润湿，即使在高TiC陶瓷含量的情况下，也能获得接近完全致密的铁基金属陶瓷。
本发明高TiC含量铁基碳化钛金属陶瓷的烧结制备方法是这样的（大于45wt％的TiC含量）。铁基金属陶瓷的成份配方为：TiC为45wt％－80wt％，铁基粘结相的含量在20wt％－55wt％；其中铁基粘结相的成份为：Fe为65 wt％－80wt％，Mo为1 wt％－5wt％，Ni为2 wt％－10wt％，Mn为0wt％－10wt％，Cr为10 wt％－22wt％，Ti为0 wt％－2.5wt％，Si为0 wt％－2.5wt％。将以上配方配好的铁基金属陶瓷粉末在混合均匀后，被压制的10 x 10 x 2厘米的毛坯；然后将毛坯放入真空炉中，抽真空；接着以10℃/min的速率升温至200℃；保温10分钟；然后接着以10℃/min的速率升温至400℃， 再保温10分钟；就这样以10℃/min的速率升温，每隔200℃， 保温10分钟， 直至烧结温度1450℃；烧结4小时后， 随炉冷却至室温，就可获得完全致密的金属陶瓷。
为了减少了铁粉在铁基金属陶瓷烧结过程中的氧化，提高制备出铁基金属陶瓷的性能，铁基粘结相中的铁可用不锈钢粉替代加入。
上述铁基金属陶瓷的成份配方中， TiC的部分可用TiN代替，TiN的代替量不超过TiC的 5wt％。
由于本发明可以大大改善铁基粘结相与碳化钛陶瓷相之间的润湿性，使得铁基粘结相与碳化钛陶瓷在高温烧结时能够充分润湿，从而可以获得完全致密的铁基金属陶瓷。制备的金属陶瓷中的TiC含量高，其硬度硬，耐磨性和高速切削性能好，而且其比重低，适宜在高速切削刀具,高温高速轴承和齿轮，坦克装甲，航空航天部件，及其它高温耐磨零件上应用。
具体实施方式
实施例一：铁基金属陶瓷的配方：50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为5wt％，Si粉为1wt％，以上金属粉的粒度均为200目。配好的粉末在混合均匀后，首先被压制的10 x 10 x 2厘米的毛坯；然后将毛坯放入真空炉中；然后，抽真空；接着以10℃/min的速率升温至200℃；保温10分钟；然后接着以10℃/min的速率升温至400℃， 在保温10min；就这样以10℃/min的速率升温，每隔200℃， 保温10min， 直至烧结温度1450℃，烧结4小时后， 随炉冷却至室温，就可获得完全致密的金属陶瓷。金属陶瓷硬的度达HRC67，三点弯曲强度达1000MPa，弹性模量为250GPa，密度约为5.67g/cm3， 断裂韧性为7.5MPa.m-1/2左右。此例中铁基粘结相的成份是：Fe含量为78wt％，Mo含量为2wt％，Ni含量为8.9wt％，Cr含量为10wt％，Si含量为2wt％。TiC陶瓷相为50wt％。
实施例二：铁基金属陶瓷的配方：400目的TiC粉和TiN粉分别为50wt％和5wt％ ， 201不锈钢粉为40wt％，Mo粉为2wt％，Ni粉为2wt％，Ti粉为1wt%。以上金属粉的粒度均为200目。配好的粉末在混合均匀后，首先被压制的10 x 10 x 2厘米的毛坯；然后将毛坯放入真空炉中；然后，抽真空；接着以10℃/min的速率升温至200℃；保温10分钟；然后接着以10℃/min的速率升温至400℃， 在保温10min；就这样以10℃/min的速率升温，每隔200℃， 保温10min， 直至烧结温度1450℃，烧结4小时后， 随炉冷却至室温，就可获得完全致密的金属陶瓷。金属陶瓷硬的度达HRC69，三点弯曲强度达900MPa，弹性模量为270GPa，密度约为5.65g/cm3， 断裂韧性为7.1MPa.m-1/2左右。本例中，铁基粘结相采用201不锈钢粉，钛粉，铬粉，钼粉的混合物。这里采用不锈钢粉替代铁粉的好处是，大大减少了铁粉在铁基金属陶瓷烧结过程中的氧化，从而提高制备出铁基金属陶瓷的性能。此例中，制备出的铁基金属陶瓷的实际成份为：TiC和TiN陶瓷相的含量为55wt％，铁基粘结相成份大致为：Fe的含量为70wt％，Mo含量为4.4wt％，Ni含量为5 wt％，Mn含量为7.5wt％，Cr含量为17.5wt％，Ti含量为2.2wt％。
实施例三：铁基金属陶瓷的配方：400目的TiC粉和TiN粉分别为70wt％和5wt％ ， Fe粉为17wt％，Mo粉为1.25wt％，Ni粉为2wt％，Cr粉为3.75wt％，Ti粉为1wt％。以上金属粉的粒度均为200目。配好的粉末在混合均匀后，首先被压制的10 x 10 x 2厘米的毛坯；然后将毛坯放入真空炉中抽真空；接着以10℃/min的速率升温至200℃；保温10分钟；然后接着以10℃/min的速率升温至400℃， 在保温10min；就这样以10℃/min的速率升温，每隔200℃， 保温10min， 直至烧结温度1450℃，烧结4小时后， 随炉冷却至室温，就可获得完全致密的金属陶瓷。金属陶瓷硬的度达HRC74，三点弯曲强度达900MPa，弹性模量为300GPa，密度约为5.6g/cm3， 断裂韧性为6.1MPa.m-1/2左右。此例中铁基粘结相的成份是：Fe含量为72wt％，Mo含量为5wt％，Ni含量为8wt％，Cr含量为15wt％，Ti含量为4wt％。TiC和TiN陶瓷相含量为75wt％.
实施例四：铁基粘结相中铁组分采用304不锈钢方式加入。具体配方如下：400目的TiC粉和TiN粉分别为55 和5wt％ ，304不锈钢粉为36wt％，Ti粉为1wt％，Mo粉为1wt％，Cr粉为1.5wt％，Si为0.5wt%。以上金属粉的粒度均为200目。配好的粉末在混合均匀后，首先被压制的10 x 10 x 2厘米的毛坯；然后将毛坯放入真空炉中抽真空；接着以10℃/min的速率升温至200℃；保温10分钟；然后接着以10℃/min的速率升温至400℃， 在保温10min；就这样以10℃/min的速率升温，每隔200℃， 保温10min， 直至烧结温度1450℃，烧结4小时后， 随炉冷却至室温，就可获得完全致密的金属陶瓷。金属陶瓷硬的度达HRC72，三点弯曲强度达900MPa，弹性模量为290GPa，密度约为5.61g/cm3， 断裂韧性为6.5MPa.m-1/2左右。此例实际制备出的铁基金属陶瓷成份应该是TiC和TiN陶瓷相为60wt％，铁基粘结相为40wt％，其中铁基粘结相的成份大致为：Fe为67wt％，Mo为2.5wt％，Ni为7.25wt％，Cr为21.5wt％，Si为1.25wt％和Ti为2.5wt％。
Claims (3)
1.一种高TiC含量的铁基金属陶瓷材料的烧结制备方法，其特征在于：所述铁基金属陶瓷材料的配方为：TiC为45wt％－80wt％，铁基粘结相的含量在20wt％－55wt％；其中铁基粘结相的成份为：Fe为65 wt％－80wt％，Mo为1 wt％－5wt％，Ni为2 wt％－10wt％，Mn为0wt％－10wt％，Cr为10 wt％－22wt％，Ti为0 wt％－2.5wt％，Si为0 wt％－2.5wt％，将以上配方配好的铁基金属陶瓷粉末在混合均匀后，被压制成10 x 10 x 2厘米的毛坯；然后将毛坯放入真空炉中，抽真空；接着以10℃/min的速率升温至200℃；保温10分钟；然后接着以10℃/min的速率升温至400℃， 再保温10分钟；就这样以10℃/min的速率升温，每隔200℃， 保温10分钟， 直至烧结温度1450℃；烧结4小时后， 随炉冷却至室温，就可获得完全致密的金属陶瓷。
2.根据权利要求1所述的高TiC含量的铁基金属陶瓷材料的烧结制备方法，其特征在于：铁基粘结相的铁可用不锈钢粉替代加入。
3.根据权利要求1所述的高TiC含量的铁基金属陶瓷材料的烧结制备方法，其特征在于：所述铁基金属陶瓷的成份配方中， TiC的部分可用TiN代替，TiN的代替量不超过TiC的 5wt％。
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