CN104480364A - 一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料及其制备方法 - Google Patents
一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及热挤压成型领域的金属陶瓷模具材料及其制备方法;具体讲是涉及一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料及其制备方法,属于金属陶瓷复合材料领域;其以Al2O3基体材料,TiCN微米粉和延性相Co、Ni为增韧相真空热压而成;其抗弯强度700~1100MPa,断裂韧性为8~10.5MPa.m1/2,硬度达到19~23.6GPa,能够更好的用于高温、高压等恶劣条件,在降低加工成本、提高生产效率等方面有显著进步。
Description
技术领域
本发明涉及热挤压成型领域的金属陶瓷模具材料及其制备方法;具体讲是涉及一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料及其制备方法,属于金属陶瓷复合材料领域。
背景技术
随着高新技术的飞速发展,模具成为现代工业中不可缺少的重要装备,但模具工作条件极其恶劣,常常发生模具粘模、氧化、甚至焊合等现象,传统的模具钢和硬质合金已经不能满足现代实际生产的需求,新材料的开发与其在工业生产中的应用成为目前亟待解决的问题。在20世纪初陶瓷材料已经步入工业领域,其在耐高温、耐磨损、抗氧化等方面具有模具钢和硬质合金等无法比拟的优点,特别是金属陶瓷材料正日益得到广泛的关注,多年来国内外对陶瓷材料的应用研究报道大多局限在刀具领域,作为模具材料的研究很少。
据文献统计,常用的陶瓷模具材料主要有TZP/Al2O3、PSZ、Si3N4、Sialon、3Y-TZP/Al2O3、Al2O3/Ni陶瓷等,但在模具材料及其制造方面存在不足,一般采用微波烧结、真空烧结等工艺方法,使不同体系的陶瓷模具材料在应用性能方面受到限制。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种高性能的金属陶瓷模具材料及其制备方法。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案为Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料,其以Al2O3基体材料,TiCN微米粉和延性相Co、Ni为增韧相真空热压烧结而成,其组分为Al2O3为40~70%、TiCN微米粉为30%、延性相Co、Ni为0~30%,以上为质量百分比。
所述Al2O3颗粒粒径为60nm,纯度>99.9%;。
所述TiCN粉末的粒径为0.1-0.5μm,纯度>99.9%;
所述Co、Ni的颗粒粒径为0.1~0.5μm,纯度>99.9%。
如上所述的金属陶瓷模具材料的综合性能为抗弯强度700~1100MPa,断裂韧性为8~10.5MPa.m1/2,硬度达到19~23.6GPa。
如上所述的Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料的制备方法,其采用以下工艺步骤一次作业;具体过程如下:
①配料:以Al2O3粉末、TiCN粉末、金属Co、Ni粉末为原料,Al2O3纳米颗粒的含量按质量百分比为40~70%,TiCN微米颗粒的含量按质量百分比为30%,Co、Ni含量按质量百分比0~30%,其中Co、Ni的质量比1:1;
②球磨混料:将配好的物料放入球磨机中,球磨12~24小时后在真空干燥箱内以60℃的温度干燥24小时,球磨制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni复合粉体;
③粉末成型与烧结:将步骤②处理后的复合粉体置于真空热压烧结炉中,在真空条件下,温度为1500℃~1700℃,压力为10~30Mpa,真空热压10~60分钟,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料。
所述步骤②中球磨介质选用无水乙醇,磨球为高纯氧化铝球。
所述步骤③中采用真空热压烧结的方法进行烧结,真空度为1×10-3Mpa。
本发明的优点在于:其以Al2O3基体材料,TiCN微米粉和延性相Co、Ni为增韧相真空热压而成;其抗弯强度700~1100MPa,断裂韧性为8~10.5MPa.m1/2,硬度达到19~23.6GPa,能够更好的用于高温、高压等恶劣条件,在降低加工成本、提高生产效率等方面有显著进步。
附图说明
图1为金属陶瓷材料表面背散射电子像及能谱分析图谱;
图2为Co-Ni合金含量为25%时在1600℃,30MPa压力条件下保温15min后的样品断口形貌;
图3为Co-Ni合金含量为20%时在1650℃,30MPa压力条件下保温30min后的样品断口形貌
图4为Co-Ni合金含量为5%时在1600℃,30MPa压力条件下保温15min后的样品断口形貌;
图5为Co-Ni合金含量为10%时在1650℃,30MPa压力条件下保温30min后的样品断口形貌。
具体实施方式
实施例1
以Al2O3纳米颗粒、TiCN和Co、Ni微米颗粒为原料,Al2O3纳米颗粒的含量按质量百分比为45%;TiCN微米颗粒的含量按质量百分比为30%;Co和Ni微米颗粒含量按质量百分比各12.5%。然后将配好的物料放入球磨机中,球磨介质为无水乙醇,高纯氧化铝球为磨球,球磨12h,然后在干燥箱内干燥24h,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni复合粉体。将复合粉体在真空热压烧结炉内进行热压烧结,真空热压烧结温度为1600℃,热压压力为30MPa,热压时间15min,真空度为1×10-3MPa,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料。采用三点弯曲强度试验检测材料抗弯强度;采用SENB法检测材料的断裂韧性;采用Vickers压痕硬度法测定材料的维氏硬度(Hv);采用扫描电镜(SEM)检测了材料的显微组织和断口形貌。
所制备的Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料的性能测试结果为:抗弯强度为700MPa,断裂韧性为8.5MPa.m1/2,硬度达到19GPa(断口形貌见图2所示)。
实施例2
以Al2O3纳米颗粒、TiCN和Co、Ni微米颗粒为原料,Al2O3纳米颗粒的含量按质量百分比为50%;TiCN微米颗粒的含量按质量百分比为30%;Co和Ni微米颗粒含量按质量百分比各10%。然后将配好的物料放入球磨机中,球磨介质为无水乙醇,高纯氧化铝球为磨球,球磨12h,然后在干燥箱内干燥24h,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni复合粉体。将复合粉体在真空热压烧结炉内进行热压烧结,真空热压烧结温度为1650℃,热压压力为30MPa,热压时间30min,真空度为1×10-3MPa,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料。采用三点弯曲强度试验检测材料抗弯强度;采用SENB法检测材料的断裂韧性;采用Vickers压痕硬度法测定材料的维氏硬度(Hv)。
所制备的Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料的性能测试结果为:抗弯强度900MPa,断裂韧性为8MPa.m1/2,硬度达到19GPa(断口形貌见图3所示)。
实施例3
以Al2O3纳米颗粒、TiCN和Co、Ni微米颗粒为原料,Al2O3纳米颗粒的含量按质量百分比为65%;TiCN微米颗粒的含量按之质量百分比为30%;Co和Ni微米颗粒含量按质量百分比各2.5%。然后将配好的物料放入球磨机中,球磨介质为无水乙醇,高纯氧化铝球为磨球,球磨12h,然后在干燥箱内干燥24h,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni复合粉体。将复合粉体在真空热压烧结炉内进行热压烧结,真空热压烧结温度为1600℃,热压压力为30MPa,热压时间15min,真空度为1×10-3MPa,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料。采用三点弯曲强度试验检测材料抗弯强度;采用SENB法检测材料的断裂韧性;采用Vickers压痕硬度法测定材料的维氏硬度(Hv)。
所制备的Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料的性能测试结果为:抗弯强度1000MPa,断裂韧性为9MPa.m1/2,硬度达到20GPa(断口形貌见图4所示)。
实施例4
以Al2O3纳米颗粒、TiCN和Co、Ni微米颗粒为原料,Al2O3纳米颗粒的含量按质量百分比为60%;TiCN微米颗粒的含量按质量百分比为30%;Co和Ni微米颗粒含量按质量百分比各5%。然后将配好的物料放入球磨机中,球磨介质为无水乙醇,高纯氧化铝球为磨球,球磨12h,然后在干燥箱内干燥24h,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni复合粉体。将复合粉体在真空热压烧结炉内进行热压烧结,真空热压烧结温度为1650℃,热压压力为30MPa,热压时间30min,真空度为1×10-3MPa,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料。采用三点弯曲强度试验检测材料抗弯强度;采用SENB法检测材料的断裂韧性;采用Vickers压痕硬度法测定材料的维氏硬度(Hv)。
所制备的Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料的性能测试结果为:抗弯强度1100MPa,断裂韧性为10.5MPa.m1/2,硬度达到23.6GPa(断口形貌见图5所示)。
Claims (8)
1.一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料,其以Al2O3基体材料,TiCN微米粉和延性相Co、Ni为增韧相真空热压烧结而成,其组分为Al2O3为40~70%、TiCN微米粉为30%、延性相Co、Ni为0~30%,以上为质量百分比。
2.根据权利要求1所述的一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料,其特征在于:所述Al2O3颗粒粒径为60nm,纯度>99.9%。
3.根据权利要求1所述的一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料,其特征在于:所述TiCN粉末的粒径为0.1-0.5μm,纯度>99.9%。
4.根据权利要求1所述的一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料,其特征在于:所述Co、Ni的颗粒粒径为0.1~0.5μm,纯度>99.9%。
5.如权利要求1所述的金属陶瓷模具材料的综合性能为抗弯强度700~1100MPa,断裂韧性为8~10.5MPa.m1/2,硬度达到19~23.6GPa。
6.如权利要求1所述的Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料的制备方法,其采用以下工艺步骤一次作业;具体过程如下:
①配料:以Al2O3粉末、TiCN粉末、金属Co、Ni粉末为原料,Al2O3纳米颗粒的含量按质量百分比为40~70%,TiCN微米颗粒的含量按质量百分比为30%,Co、Ni含量按质量百分比0~30%,其中Co、Ni的质量比1:1;
②球磨混料:将配好的物料放入球磨机中,球磨12~24小时后在真空干燥箱内以60℃的温度干燥24小时,球磨制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni复合粉体;
③粉末成型与烧结:将步骤②处理后的复合粉体置于真空热压烧结炉中,在真空条件下,温度为1500℃~1700℃,压力为10~30Mpa,真空热压10~60分钟,制备出Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料。
7.根据权利要求6所述的一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料,其特征在于:所述步骤②中球磨介质选用无水乙醇,磨球为高纯氧化铝球。
8.根据权利要求6所述的一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料,其特征在于:所述步骤③中采用真空热压烧结的方法进行烧结,真空度为1×10-3Mpa。
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