CN1046317C - 金属陶瓷制造技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属陶瓷制造技术,特征在于采用自蔓燃高温合成法(SHS),利用化学反应自身放热来合成Al2O3和TiC,同时加入铁族元素(Fe、Co、Ni)和第ⅥB族金属元素(Cr、Mo、W),通过SHS合成-热压或SHS合成-粉碎-热压或SHS合成-粉碎-成型-烧结工艺,制备韧性好强度高、组织均匀而成本低的Al2O3-TiC基金属陶瓷,硬度Hv18.0~20.0GPa,抗弯强度600~850MPa,断裂韧性KIC4.5~6.0MPa·m1/2。加工淬火钢,刀具寿命比传统热压Al2O3-TiC基刀具长2~3倍。
Description
本发明属于陶瓷材料制备技术领域。
常规热压法制造的Al2O3-TiC陶瓷和Al2O3-TiC基金属陶瓷用作刀具材料已有二十年历史,至今仍然是用量最大的陶瓷刀具,广泛用于调质钢、淬火钢、铸铁、石墨和胶皮等的加工。这类陶瓷是采用Al2O3和TiC等粉末经混合后热压制成的。这种工艺很难获得晶粒细小,相分布均匀的材料,成本高。
自蔓燃高温合成法(SHS)是利用反应放热制备材料的新技术,能耗低、工艺设备较简单,产品质量好。RACulter等采用SHS法制备了致密Al2O3-TiC陶瓷(“Synthesis and Densification of Oxide-CarbideComposites”,Ceram Eng.Sci.Proc.6[7-8],715-728,985).SHS法制备的Al2O3-TiC陶瓷的铁韧性比传统热压陶瓷的好。但是,陶瓷的脆性仍然限制了其广泛应用。
本发明的目的是利用SHS法制备Al2O3-TiC基金属陶瓷,加入金属添加剂,改善材料的韧性,扩大使用范围,降低成本。
本发明的构思是:采用SHS法合成Al2O3-TiC基体,同时加入金属粘结剂,形成组织均匀的金属陶瓷。在SHS反应过程中,同时形成Al2O3和TiC,它们的长大受到彼此的抑制。因此,可以获得晶粒细小、相分布均匀的组织。同时,添加粘结金属将Al2O3-TiC结合起来形成强度高韧性好的金属陶瓷。其详细叙述如下:
1.TiO2、Al和C是主要的反应物料,按反应式 形成基本成分Al2O3和TiC,Q是反应放热。在上述反应物料中,加入一种或二种铁族元素(Fe、CO、Ni),作为金属粘结剂。同时,加入一种或二种第ⅥB族金属(Cr、Mo、W),通过反应形成这些元素的碳化物与TiC的固溶体,以便改善铁族粘结金属对TiC的润湿性,为了促进Al2O3的烧结并抑制其晶粒长大,还加入少量MgO、NiO、TiO2等氧化物。
2.在金属陶瓷中,陶瓷相的总量为80~95wt%,其中,TiC量为20~60wt%,通过加入Al2O3粉或过量TiO2和C来调整Al2O3与TiC的比例。MgO和NiO,TiO2的含量为0.1~1wt%。
3.在金属陶瓷中,金属添加剂的总量为5~20wt%。其中,铁族金属量为1~15wt%,以金属粉末的形成加入。第ⅥB元素的量为1-10wt%,以金属粉末或金属氧化物的形成加入。
4.AL2O3-TiC基金属陶瓷可通过如下工艺来制备。
(1)SHS-热压法:在物料发生SHS反应的同时进行热压,这种工艺工序少,成本低。
(2)SHS合成-破碎-热压:合成的物料经破碎成粉末后混料,进行热压。
(3)SHS合成-破碎-成型-烧结:合成的物料经破碎成粉末后混料、模压成型后烧结。
采用SHS法制造Al2O3-TiC基金属陶瓷,密度4.2~4.6/cm3,硬度Hv为18.0~20.0GPa,抗弯强度600~850MPa,断裂韧性Kic4.5~6MPa.m1/2刀具加工55钢(淬硬HRc50~55),切削速度为110m/min,刀具磨损0.24mm时,切削时间为90min。
本发明的优点在于比传统热压AL2O3-TiC刀具寿命增长3倍,且工艺简单,成本低。
实例1:
58克TiO2粉(-150μm)(微米),26克Al粉(-74μm),8.5克炭黑,4克Ni粉(-74μm),3克Mo粉(-74μm)和0.5克MgO粉球磨24小时。混合好的试料装放石墨模具中,在直热式热压机上进行SHS-热压。当模具加热到约1400℃时,试料发生反应,立即施加压力(20MPa)进行热压。此时试料温度达1700~1900℃。热压10秒钟左右即可得到致密Al2O3-TiC-Ni、(Mo)金属陶瓷。密度4.6g/cm3,硬度Hv19.0GPa,抗弯强度850MPa,断裂韧性Kic5.5MPa.m1/2。刀具切削结果如前所述。
实例2:
58克TiO2粉(-150μm),26克Al粉(-74μm)和8.5克炭黑,混合8小时后,置入小型SHS反应器合成。合成料经球磨24小时,粉碎成粉末。合成粉末中再加入4克Ni粉(-74μm),3克Mo(-74μm)和0.5克MgO粉,球磨24小时。混合好的料装入石墨模具内,在直热式热压机上热压,热压温度1650~1700℃,压力20MPa,时间10分钟,就可以获得致密金属陶瓷。密度4.65g/cm3硬度Hv19.2GPa,抗弯强度800MPa,断裂韧性Kic5.4MPa.m1/2。
实例3:
68克TiO2粉,31克Al粉,9克炭黑和62克Al2O3粉(-38μm)混合8小时,反应试料在SHS反应器中,借钨丝加热点燃合成AL2O3+TiC。合成料经24小时球磨成粉末,合成粉末再加入6克Ni粉,4克Mo粉和1克MgO粉,经球磨24小时。混合好的粉末模压成型,后在真空炭管炉进行烧结。烧结温度1700~1800℃,时间1小时,得到致密金属陶瓷。密度4.3克/cm3,硬度Hv18.6GPa,抗弯强度605MPa,断裂韧Kic4.5MPa.m1/2。
Claims (1)
1.一种金属陶瓷的制造技术,其特征在于:
采用自蔓燃高温合成法合成Al2O3-TiC基体,司时加入金属粘结剂,形成组织均匀的金属陶瓷,在自蔓燃高温合成反应过程中,同时形成Al2O3和TiC,添加粘结金属将AL2O3-TiC结合起来形成强度高、韧性好的金属陶瓷,具体步骤如下:
a.TiC、Al和C是主要的反应物料,按反应式 ,形成基本成分Al2O3和TiC,Q是反应放热,在上述反应物料中,加入一种或两种铁族元素(Fe、Co、Ni),作为金属粘结剂,同时,加入一种或二种第ⅥB族金属元素(Cr、Mo、W),通过反应形成这些元素的碳化物与TiC的固溶体,还加入少量MgO、NiO或TiO2氧化物;
b.在金属陶瓷中,陶瓷相的总量为80~95%重量百分比,其中,TiC量为20~60%重量百分比,通过加入Al2O3粉或过量TiO2和C来调整Al2O3与TiC的比例,MgO或NiO,TiO2的含量为0.1~1%重量百分比;
c.在金属陶瓷中,金属添加剂的总量为5~20%重量百分比,其中,铁族金属量为1~15%重量百分比,以金属粉末的形式加入,第ⅥB组元素的量为1~10%重量百分比,以金属粉末或金属氧化物的形式加入;
d.金属陶瓷的成型方法在下述方法中选择一种:自蔓燃高温合成的同时热压;自蔓燃高温合成一粉碎(混合)-热压;自蔓燃高温合成-粉碎(混合)-压制-烧结。
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