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 PDF

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李喜坤
马伟民
纪连永
李昕
赵海涛
兰慧鑫
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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

一种Al2O3-TiCN/Co-Ni金属陶瓷模具材料及其制备方法
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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