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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