CN105018818A - 一种采用Ni3Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种采用Ni₃Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷及其制备方法，属于金属陶瓷材料和粉末冶金技术领域。本发明的Ni₃Al粘结的金属陶瓷，由原料经球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结制备而成，所述原料中各化学成分的重量百分比为：TiC？29～46.2％、M_o？8～10％、WC？20～25％、石墨0.8～1.0％、含B的Ni₃Al？25～30％。本发明的制备方法，包括Ni₃Al粉制备、球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结步骤。本发明以含B的Ni₃Al粉作为粘结剂，所制备的TiC基金属陶瓷，具有优异的抗腐蚀性、抗氧化性和高温力学性能，硬度90.0～91.5HRA，室温抗弯强度≥1600MPa，断裂韧性≥13MPa·m^1/2，适合制作高速切削刀具、模具和耐热耐蚀零部件。

Description

一种采用Ni3Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料和粉末冶金技术领域，具体涉及一种采用Ni₃Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

Ni和/或Co粘结Ti(C，N)基金属陶瓷具有高硬度，高强度，优异的耐磨性和耐高温氧化性等一系列物理化学性能，是刀具、模具以及耐磨损部件的良好替代材料。然而，金属陶瓷的高温应用因金属粘结相Ni和Co的高温软化效应而受到限制。因此，使用高温性能良好的粘结剂代替Ni和Co的研究备受关注。Ni₃Al金属间化合物具有高硬度，高熔点，优异的抗氧化性和耐磨蚀性，以及其强度在950℃内与温度的正相关性等性能。另外，Ni₃Al可以充分润湿TiC。研究表明，Ni₃Al熔体对TiC的润湿角≤15°，因此Ni₃Al可作为金属陶瓷良好的粘结剂。采用Ni₃Al作粘结剂有利于提高TiC基金属陶瓷的抗腐蚀性，抗氧化性和高温力学性能。

从上世纪90年代至今，关于Ni₃Al粘结金属陶瓷多停留在TiC-Ni₃Al二元体系，难以发挥Ni₃Al粘结金属陶瓷力学性能方面的优势；且大部分制备工艺为熔渗法，如Plucknett等采用熔渗工艺制备的TiC/Ni₃Al金属陶瓷，其室温抗弯强度达到约1100MPa(4点弯曲，20vol.％Ni₃Al)，且强度能维持到约1000℃(见文献[1]Kevin P.Plucknett，Paul F.Becher，and Shirley B.Waters.Flexure Strength of Melt-Infiltration-Processed Titanium Carbide/NickelAluminide Composites.J.Am.Ceram.Soc.，81[7]1839-44(1998))。然而由于熔渗工艺极大依赖于前驱体材料的性能，如孔隙率，孔隙的连通性等，且工艺较为复杂；相关报道指出熔渗工艺制备的TiC-Ni₃Al金属陶瓷的力学性能存在一定的方向性，且不同方向力学性能相差较大(见文献[1])。

本申请的发明人于2014年发表论文《Preparation，microstmcture andmechanical properties of multicomponent Ni₃Al-bonded cermets》(见文献[2]B.Huang，W.H.Xiong，Q.Q.Yang，Z.H.Yao，G.P.Zhang，M.Zhang."Preparation，microstructure and mechanical properties of multicomponent Ni₃Al-bondedcermets"，Ceram.Int.40[9]14073-14081(2014).)，采用真空液相烧结工艺，以Ni₃Al为粘结剂制备TiC基金属陶瓷，解决熔渗法力学性能存在取向性的问题，但论文中所涉及的采用Ni₃Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷强度、硬度均不足，有待进一步的研究。

发明内容

本发明提供一种采用Ni₃Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷，同时提供其制备方法，解决现有Ni₃Al粘结TiC基金属陶瓷存在的强度、硬度不足的问题，以使得金属陶瓷不仅具有良好的强韧性，还具有优异的抗腐蚀性、抗氧化性和高温力学性能。

本发明所提供的一种采用Ni₃Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷，由原料经球磨混料、模压成形和真空烧结制备而成，其特征在于：

所述原料由TiC、Mo、WC、石墨以及含B的Ni₃Al粉构成，原料中各组分的质量百分比为：TiC 29％～46.2％、Mo 8％～10％、WC 20％～25％、石墨0.8％～1.0％、含B的Ni₃Al 25％～30％；

所述含B的Ni₃Al粉中，各组分的质量百分比为：Ni 87.23％～87.93％、Al 12.07％～12.67％、B 0.5％～1.0％。

所述的TiC基金属陶瓷的制备方法，包括Ni₃Al粉制备步骤、球磨混料步骤、模压成形步骤和真空烧结步骤，其特征在于：

(1)Ni₃Al粉制备步骤：按质量百分比Ni 87.23％～87.93％、Al 12.07％～12.67％、B 0.5％～1.0％，将Ni、Al和B粉混合，对混合料进行球磨后，加入酒精湿磨脱粉，获得成分均匀的混合料料浆；混合料料浆经真空干燥、过筛，获得含B的Ni₃Al粉；

(2)球磨混料步骤：采用TiC、Mo、WC、石墨以及所述含B的Ni₃Al粉为原料进行混合，配制金属陶瓷混合料，原料中各组分的质量百分比为：TiC 29％～46.2％、Mo 8％～10％、WC 20％～25％、石墨0.8％～1.0％、含B的Ni₃Al 25％～35％；然后对所述金属陶瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的金属陶瓷料浆；

(3)模压成形步骤：所述金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得压坯；

(4)真空烧结步骤：将所述压坯在1480℃～1490℃温度下，真空烧结1h～2h，得到所需的金属陶瓷烧结体。

所述Ni₃Al粉制备步骤中，Ni、Al和B粉的纯度≥99.0％。

所述Ni₃Al粉制备步骤中，所述球磨采用不锈钢球和不锈钢罐，在高纯氩气保护下进行，球料质量比为15∶1～20∶1，转速为350rpm～400rpm，球磨时间不低于20h；所述加入酒精湿磨脱粉，酒精加入量不低于球磨罐容积的1/3，湿磨时间不低于2h；所述真空干燥采用真空烘箱，真空度为10²～10³pa。

所述球磨混料步骤中，所述湿式球磨的球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。

本发明以含B的Ni₃Al粉作为TiC基金属陶瓷的粘结剂，通过添加WC、Mo改善Ni₃Al对TiC颗粒的润湿性；在现有Ni作为粘结剂的金属陶瓷中，添加WC可提高材料的强韧性，但添加量一般低于质量百分比10％，过量添加WC会使金属陶瓷力学性能下降。本发明采用Ni₃Al为粘结剂，所添加的WC质量百分比为20％～25％，申请人的研究表明，采用Ni₃Al为粘结剂，金属陶瓷中添加超过质量百分比20％的WC，克服了现有技术的局限，与传统Ni作为粘结剂金属陶瓷芯环结构不同，本发明中，WC的添加可促进金属陶瓷中在TiC颗粒表面形成高W含量的环形包覆层，这种环形包覆层是一种(Ti，W，Mo)C固溶体，可有效提高粘结相Ni₃Al对硬质相的润湿性；另外添加WC可有效减小TiC颗粒尺寸，从而提高金属陶瓷力学性能，所制备的Ni₃Al粘结金属陶瓷，可有效提高材料的强度和硬度，具有优异的抗腐蚀性、抗氧化性和高温力学性能，硬度90.0～91.5 HRA，室温抗弯强度≥1600MPa，断裂韧性≥13MPa·m^1/2，适合制作高速切削刀具、模具和耐热耐蚀零部件。

附图说明

图1为本发明采用Ni₃Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷的扫描电子显微图像。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明。

第一组实施例，包括Ni₃Al粉制备步骤、球磨混料步骤、模压成形步骤和真空烧结步骤：

(1)Ni₃Al粉制备步骤：按照表1所示质量百分比，将Ni、Al和B粉混合，对混合料进行球磨后，加入酒精湿磨脱粉，获得成分均匀的混合料料浆；混合料料浆经真空干燥、过筛，获得Al～A4四份含B的Ni₃Al粉；

表1 Ni₃Al金属间化合物名义成分及各原料的重量百分比

其中，Ni、Al和B粉的纯度≥99.0％；各组混合料原料粉末的平均粒度、纯度与氧含量如表2所示；

表2 原料粉末平均粒度、纯度及氧含量

所述球磨采用不锈钢球和不锈钢罐，在高纯氩气保护下，球料质量比为15∶1～20∶1，转速为350rpm～400rpm，球磨时间不低于20h；所述加入酒精湿磨脱粉，酒精加入量不低于球磨罐容积的1/3，湿磨时间不低于2h；所述真空干燥采用真空烘箱，真空度为10²～10³Pa。

球磨和湿磨脱粉工艺参数如表3所示：

表3 Ni₃Al的制备工艺

(2)球磨混料步骤：采用TiC、Mo、WC、石墨以及所述含B的Ni₃Al粉为原料进行混合，配制金属陶瓷混合料，原料中各组分的质量百分比如表4所示，配制B1～B12共十二组金属陶瓷混合料；然后分别对所述十二组金属陶瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的B1～B12共十二组金属陶瓷料浆；

表4 B组Ti(C，N)基金属陶瓷各组元的重量百分比

所述湿式球磨的球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。各组金属陶瓷混合料对应的湿式球磨工艺如表5所示，其中B1～B3组对应Al组含B的Ni₃Al粉，B4～B6组对应A2组含B的Ni₃Al粉，B7～B9组对应A3组含B的Ni₃Al粉，B10～B12组对应A4组含B的Ni₃Al粉；

(3)模压成形步骤：十二组金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得十二组压坯；

(4)真空烧结步骤：将十二组压坯在1480℃～1490℃温度下，真空烧结1h～2h，得到十二组金属陶瓷烧结体。

各组金属陶瓷料浆的模压成形、真空脱脂、真空烧结工艺如表5所示，其中B1～B3组对应Al组含B的Ni₃Al粉，B4～B6组对应A2组含B的Ni₃Al粉，B7～B9组对应A3组含B的Ni₃Al粉，B10～B12组对应A4组含B的Ni₃Al粉；

表5 制备Ti(C，N)基金属陶瓷的工艺参数

烧结后的各组金属陶瓷烧结体经粗磨处理后，测试硬度、抗弯强度和断裂韧性，其值如表6所示。

表6 B组Ti(C，N)基金属陶瓷的力学性能

第二组实施例，包括Ni₃Al粉制备步骤、球磨混料步骤、模压成形步骤和真空烧结步骤：

(1)Ni₃Al粉制备步骤：

与第一组实施例的Ni₃Al粉制备步骤完全相同，获得Al～A4四组含B的Ni₃Al粉；

(2)球磨混料步骤：采用TiC、Mo、WC、石墨以及所述含B的Ni₃Al粉为原料进行混合，配制金属陶瓷混合料，原料中各组分的质量百分比如表7所示，配制C1～C12共十二组金属陶瓷混合料；然后分别对所述十二组金属陶瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的C1～C12共十二组金属陶瓷料浆；

表7 C组Ti(C，N)基金属陶瓷各组元的重量百分比

所述湿式球磨球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。各组金属陶瓷混合料对应的球磨工艺如表5所示，其中C1～C3组对应Al组含B的Ni₃Al粉，C4～C6组对应A2组含B的Ni₃Al粉，C7～C9组对应A3组含B的Ni₃Al粉，C10～C12组对应A4组含B的Ni₃Al粉；

(3)模压成形步骤：十二组金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得十二组压坯；

(4)真空烧结步骤：将十二组压坯在1480℃～1490℃温度下，真空烧结1h～2h，得到十二组金属陶瓷烧结体。

各组金属陶瓷料浆的球磨混料、模压成形、真空烧结工艺如表5所示，其中C1～C3组对应Al组含B的Ni₃Al粉，C4～C6组对应A2组含B的Ni₃Al粉，C7～C9组对应A3组含B的Ni₃Al粉，C10～C12组对应A4组含B的Ni₃Al粉；

烧结后的各组金属陶瓷烧结体经粗磨处理后，测试硬度、抗弯强度和断裂韧性，其值如表8所示。

表8 C组Ti(C，N)基金属陶瓷的力学性能

其中，C1组的采用Ni₃Al为粘结剂的Ni₃Al粘结TiC基金属陶瓷的扫描电子显微图像见图1所示。

Claims (5)

1.一种采用Ni₃Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷，由原料经球磨混料、模压成形和真空烧结制备而成，其特征在于：

所述原料由TiC、Mo、WC、石墨以及含B的Ni₃Al粉构成，原料中各组分的质量百分比为：TiC 29％～46.2％、M_o 8％～10％、WC 20％～25％、石墨0.8％～1.0％、含B的Ni₃Al 25％～30％；

所述含B的Ni₃Al粉中，各组分的质量百分比为：Ni87.23％～87.93％、Al 12.07％～12.67％、B 0.5％～1.0％。

2.权利要求1所述的TiC基金属陶瓷的制备方法，包括Ni₃Al粉制备步骤、球磨混料步骤、模压成形步骤和真空烧结步骤，其特征在于：

(1)Ni₃Al粉制备步骤：按质量百分比Ni 87.23％～87.93％、Al12.07％～12.67％、B 0.5％～1.0％，将Ni、Al和B粉混合，对混合料进行球磨后，加入酒精湿磨脱粉，获得成分均匀的混合料料浆；混合料料浆经真空干燥、过筛，获得含B的Ni₃Al粉；

(2)球磨混料步骤：采用TiC、Mo、WC、石墨以及所述含B的Ni₃Al粉为原料进行混合，配制金属陶瓷混合料，原料中各组分的质量百分比为：TiC 29％～46.2％、Mo 8％～10％、WC 20％～25％、石墨0.8％～1.0％、含B的Ni₃Al 25％～35％；然后对所述金属陶瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的金属陶瓷料浆；

(3)模压成形步骤：所述金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得压坯；

(4)真空烧结步骤：将所述压坯在1480℃～1490℃温度下，真空烧结1h～2h，得到所需的金属陶瓷烧结体。

3.如权利要求2所述的TiC基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：

所述Ni₃Al粉制备步骤中，Ni、Al和B粉的纯度≥99.0％。

4.如权利要求2所述的TiC基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：

所述Ni₃Al粉制备步骤中，所述球磨采用不锈钢球和不锈钢罐，在高纯氩气保护下进行，球料质量比为15∶1～20∶1，转速为350rpm～400rpm，球磨时间不低于20h；所述加入酒精湿磨脱粉，酒精加入量不低于球磨罐容积的1/3，湿磨时间不低于2h；所述真空干燥采用真空烘箱，真空度为10²～10³Pa。

5.如权利要求2所述的TiC基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：

所述球磨混料步骤中，所述湿式球磨的球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。