CN105734389A - 一种高韧性金属陶瓷模具材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧性金属陶瓷模具材料,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽85?96份、硅化钨32?46份、氧化铝10?15份、碳化锆6?9份、氧化钽6?8份、钨粉3?5份、铬粉2?4份、镍粉1?4份。本发明还提供了所述高韧性金属陶瓷模具材料的制备方法。本发明制备的高韧性金属陶瓷模具材料抗弯强度、断裂韧性及维氏硬度均高于现有的金属陶瓷模具材料,尤其是断裂韧性表现优异,有利于推展金属陶瓷材料在模具领域的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及模具材料领域,具体是一种高韧性金属陶瓷模具材料及其制备方法。
背景技术
模具是工业生产上用以注塑、吹塑、挤出、压铸或锻压成型、冶炼、冲压等方法得到所需产品的各种模子和工具。简而言之,模具是用来成型物品的工具,它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工,素有“工业之母”的称号。模具的种类繁多,材质也各不相同,金属陶瓷就是一种新兴的模具材料。金属陶瓷由金属和陶瓷原料制成的材料,具有各种优良的性能,例如,金属陶瓷普遍具有耐高温和抗氧化性,因此能够适用于模具工业。如中国专利文件CN1332262A提供一种金属陶瓷模具材料,化学成分(重量%)为:W 10-60%,Cr38.5-80%,Al2O3 1-30%,La2O3 0-15%,Ni、Co、Fe中任一种或任两种以上之和为0.5-20%,该材料的硬性高、热稳定性好、抗氧化性和耐磨性优良,但韧性表现不够好。韧性表现不佳成为制约金属陶瓷在模具工业中迅速发展的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高韧性金属陶瓷模具材料及其制备方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种高韧性金属陶瓷模具材料,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽85-96份、硅化钨32-46份、氧化铝10-15份、碳化锆6-9份、氧化钽6-8份、钨粉3-5份、铬粉2-4份、镍粉1-4份。
作为本发明进一步的方案:由以下按照重量份的原料组成:氮化钽87-94份、硅化钨35-42份、氧化铝11-14份、碳化锆7-8份、氧化钽7-8份、钨粉4-5份、铬粉2-3份、镍粉2-3份。
作为本发明再进一步的方案:由以下按照重量份的原料组成:氮化钽91份、硅化钨38份、氧化铝13份、碳化锆8份、氧化钽7份、钨粉4份、铬粉3份、镍粉2份。
作为本发明再进一步的方案:所述氮化钽和硅化钨均采用微米级粉末,氧化铝、碳化锆、氧化钽、钨粉、铬粉和镍粉均采用纳米级粉末。
所述高韧性金属陶瓷模具材料的制备方法,步骤如下:
1)称取氮化钽和硅化钨,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散40-50min,获得第一分散液;
2)称取氧化铝、碳化锆和氧化钽,球磨混合3-5h后,在1000-1080℃下进行煅烧处理,煅烧1-1.5h,获得煅烧料;
3)将煅烧料自然冷却至室温后,球磨成粉,并过200目筛,获得煅烧粉料;
4)称取钨粉、铬粉和镍粉,并与煅烧粉料混合,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散40-50min,获得第二分散液;
5)将第一分散液与第二分散液混合,超声分散40-50min后,放入球磨罐中,球磨15-20h,获得球磨液;
6)将球磨液放入真空干燥箱中,在140-145℃下进行真空干燥,获得坯料;
7)将坯料在150Mpa下等静压成型,获得素坯;
8)将素坯放入石墨模具中进行真空热压烧结,获得成品,烧结温度为1550-1580℃,压力为45-50Mpa,具体烧结工艺为:首先以8℃/min升温至烧结温度前100℃,保温30min,然后以4℃/min升温至烧结温度,保温45min,最后随炉冷却至室温。
上述金属陶瓷能够应用于制备高韧性模具材料。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明制备的高韧性金属陶瓷模具材料的抗弯强度为1048-1127Mpa,断裂韧性为13.54-14.89Mpa·m1/2,维氏硬度为15.74-17.15,抗弯强度、断裂韧性及维氏硬度均高于现有的金属陶瓷模具材料,尤其是断裂韧性表现优异,有利于推展金属陶瓷材料在模具领域的应用范围。本发明通过添加碳化锆和镍粉,碳化锆、镍粉与其他成分配合,有利于提高模具材料的抗弯强度和断裂韧性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
一种高韧性金属陶瓷模具材料,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽85份、硅化钨32份、氧化铝10份、碳化锆6份、氧化钽6份、钨粉3份、铬粉2份、镍粉1份;其中,所述氮化钽和硅化钨均采用微米级粉末,氧化铝、碳化锆、氧化钽、钨粉、铬粉和镍粉均采用纳米级粉末。
所述高韧性金属陶瓷模具材料的制备方法,步骤如下:
1)称取氮化钽和硅化钨,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散40min,获得第一分散液;
2)称取氧化铝、碳化锆和氧化钽,球磨混合3h后,在1000℃下进行煅烧处理,煅烧1h,获得煅烧料;
3)将煅烧料自然冷却至室温后,球磨成粉,并过200目筛,获得煅烧粉料;
4)称取钨粉、铬粉和镍粉,并与煅烧粉料混合,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散40min,获得第二分散液;
5)将第一分散液与第二分散液混合,超声分散40min后,放入球磨罐中,球磨15h,获得球磨液;
6)将球磨液放入真空干燥箱中,在140℃下进行真空干燥,获得坯料;
7)将坯料在150Mpa下等静压成型,获得素坯;
8)将素坯放入石墨模具中进行真空热压烧结,获得成品,烧结温度为1550℃,压力为45Mpa,具体烧结工艺为:首先以8℃/min升温至1450℃,保温30min,然后以4℃/min升温至1550℃,保温45min,最后随炉冷却至室温。
实施例2
一种高韧性金属陶瓷模具材料,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽96份、硅化钨46份、氧化铝15份、碳化锆9份、氧化钽8份、钨粉5份、铬粉4份、镍粉4份;其中,所述氮化钽和硅化钨均采用微米级粉末,氧化铝、碳化锆、氧化钽、钨粉、铬粉和镍粉均采用纳米级粉末。
所述高韧性金属陶瓷模具材料的制备方法,步骤如下:
1)称取氮化钽和硅化钨,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散50min,获得第一分散液;
2)称取氧化铝、碳化锆和氧化钽,球磨混合5h后,在1080℃下进行煅烧处理,煅烧1.5h,获得煅烧料;
3)将煅烧料自然冷却至室温后,球磨成粉,并过200目筛,获得煅烧粉料;
4)称取钨粉、铬粉和镍粉,并与煅烧粉料混合,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散50min,获得第二分散液;
5)将第一分散液与第二分散液混合,超声分散50min后,放入球磨罐中,球磨20h,获得球磨液;
6)将球磨液放入真空干燥箱中,在145℃下进行真空干燥,获得坯料;
7)将坯料在150Mpa下等静压成型,获得素坯;
8)将素坯放入石墨模具中进行真空热压烧结,获得成品,烧结温度为1580℃,压力为50Mpa,具体烧结工艺为:首先以8℃/min升温至1480℃,保温30min,然后以4℃/min升温至1580℃,保温45min,最后随炉冷却至室温。
实施例3
一种高韧性金属陶瓷模具材料,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽91份、硅化钨38份、氧化铝13份、碳化锆8份、氧化钽7份、钨粉4份、铬粉3份、镍粉2份;其中,所述氮化钽和硅化钨均采用微米级粉末,氧化铝、碳化锆、氧化钽、钨粉、铬粉和镍粉均采用纳米级粉末。
所述高韧性金属陶瓷模具材料的制备方法,步骤如下:
1)称取氮化钽和硅化钨,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散45min,获得第一分散液;
2)称取氧化铝、碳化锆和氧化钽,球磨混合4h后,在1050℃下进行煅烧处理,煅烧1.5h,获得煅烧料;
3)将煅烧料自然冷却至室温后,球磨成粉,并过200目筛,获得煅烧粉料;
4)称取钨粉、铬粉和镍粉,并与煅烧粉料混合,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散45min,获得第二分散液;
5)将第一分散液与第二分散液混合,超声分散45min后,放入球磨罐中,球磨18h,获得球磨液;
6)将球磨液放入真空干燥箱中,在144℃下进行真空干燥,获得坯料;
7)将坯料在150Mpa下等静压成型,获得素坯;
8)将素坯放入石墨模具中进行真空热压烧结,获得成品,烧结温度为1560℃,压力为48Mpa,具体烧结工艺为:首先以8℃/min升温至1460℃,保温30min,然后以4℃/min升温至1560℃,保温45min,最后随炉冷却至室温。
实施例4
一种高韧性金属陶瓷模具材料,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽87份、硅化钨46份、氧化铝10份、碳化锆8份、氧化钽7份、钨粉5份、铬粉2份、镍粉3份;其中,所述氮化钽和硅化钨均采用微米级粉末,氧化铝、碳化锆、氧化钽、钨粉、铬粉和镍粉均采用纳米级粉末。
所述高韧性金属陶瓷模具材料的制备方法,步骤如下:
1)称取氮化钽和硅化钨,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散50min,获得第一分散液;
2)称取氧化铝、碳化锆和氧化钽,球磨混合3.5h后,在1010℃下进行煅烧处理,煅烧1h,获得煅烧料;
3)将煅烧料自然冷却至室温后,球磨成粉,并过200目筛,获得煅烧粉料;
4)称取钨粉、铬粉和镍粉,并与煅烧粉料混合,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散40min,获得第二分散液;
5)将第一分散液与第二分散液混合,超声分散45min后,放入球磨罐中,球磨16h,获得球磨液;
6)将球磨液放入真空干燥箱中,在145℃下进行真空干燥,获得坯料;
7)将坯料在150Mpa下等静压成型,获得素坯;
8)将素坯放入石墨模具中进行真空热压烧结,获得成品,烧结温度为1570℃,压力为49Mpa,具体烧结工艺为:首先以8℃/min升温至1470℃,保温30min,然后以4℃/min升温至1570℃,保温45min,最后随炉冷却至室温。
实施例5
一种高韧性金属陶瓷模具材料,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽95份、硅化钨34份、氧化铝12份、碳化锆9份、氧化钽8份、钨粉4份、铬粉4份、镍粉2份;其中,所述氮化钽和硅化钨均采用微米级粉末,氧化铝、碳化锆、氧化钽、钨粉、铬粉和镍粉均采用纳米级粉末。
所述高韧性金属陶瓷模具材料的制备方法,步骤如下:
1)称取氮化钽和硅化钨,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散48min,获得第一分散液;
2)称取氧化铝、碳化锆和氧化钽,球磨混合4.5h后,在1070℃下进行煅烧处理,煅烧1.5h,获得煅烧料;
3)将煅烧料自然冷却至室温后,球磨成粉,并过200目筛,获得煅烧粉料;
4)称取钨粉、铬粉和镍粉,并与煅烧粉料混合,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散45min,获得第二分散液;
5)将第一分散液与第二分散液混合,超声分散40min后,放入球磨罐中,球磨20h,获得球磨液;
6)将球磨液放入真空干燥箱中,在144℃下进行真空干燥,获得坯料;
7)将坯料在150Mpa下等静压成型,获得素坯;
8)将素坯放入石墨模具中进行真空热压烧结,获得成品,烧结温度为1580℃,压力为46Mpa,具体烧结工艺为:首先以8℃/min升温至1480℃,保温30min,然后以4℃/min升温至1580℃,保温45min,最后随炉冷却至室温。
对比例1
请参照实施例3,与实施例3相比不含碳化锆,其他与实施例3相同。
对比例2
请参照实施例3,与实施例3相比不含镍粉,其他与实施例3相同。
对实施例1-5及对比例1-2进行性能测试,测试结果如表1所示。
表1性能测试表
抗弯强度(MPa) | 断裂韧性(Mpa·m1/2) | 维氏硬度 | |
实施例1 | 1048 | 13.54 | 15.74 |
实施例2 | 1050 | 14.76 | 16.53 |
实施例3 | 1125 | 14.89 | 17.10 |
实施例4 | 1127 | 13.98 | 17.15 |
实施例5 | 1086 | 14.20 | 16.43 |
对比例1 | 1053 | 11.34 | 15.87 |
对比例2 | 915 | 14.36 | 15.63 |
从上表可以看出,本发明制备的高韧性金属陶瓷模具材料的抗弯强度为1048-1127Mpa,断裂韧性为13.54-14.89Mpa·m1/2,维氏硬度为15.74-17.15,抗弯强度、断裂韧性及维氏硬度均高于现有的金属陶瓷模具材料,尤其是断裂韧性表现优异,有利于推展金属陶瓷在模具领域的应用范围,与发明专利CN1332262A相比,抗弯强度和断裂韧性均得到提高。
另外,对比例1与实施例3相比,抗弯强度和维氏硬度相差不大,但对比例1的断裂韧性表现较差,对比例2与实施例3相比,断裂韧性和维氏硬度相差不大,但对比例2的抗弯强度表现较差,由于对比例1与实施例3相比不含碳化锆,对比例2与实施例3相比不含镍粉,因此可以看出,本发明通过添加碳化锆和镍粉,碳化锆、镍粉与其他成分配合,有利于提高模具材料的抗弯强度和断裂韧性。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种高韧性金属陶瓷模具材料,其特征在于,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽85-96份、硅化钨32-46份、氧化铝10-15份、碳化锆6-9份、氧化钽6-8份、钨粉3-5份、铬粉2-4份、镍粉1-4份。
2.根据权利要求1所述的高韧性金属陶瓷模具材料,其特征在于,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽87-94份、硅化钨35-42份、氧化铝11-14份、碳化锆7-8份、氧化钽7-8份、钨粉4-5份、铬粉2-3份、镍粉2-3份。
3.根据权利要求2所述的高韧性金属陶瓷模具材料,其特征在于,由以下按照重量份的原料组成:氮化钽91份、硅化钨38份、氧化铝13份、碳化锆8份、氧化钽7份、钨粉4份、铬粉3份、镍粉2份。
4.根据权利要求1或2或3所述的高韧性金属陶瓷模具材料,其特征在于,所述氮化钽和硅化钨均采用微米级粉末,氧化铝、碳化锆、氧化钽、钨粉、铬粉和镍粉均采用纳米级粉末。
5.一种如权利要求1-4任一所述的高韧性金属陶瓷模具材料的制备方法,其特征在于,步骤如下:
1)称取氮化钽和硅化钨,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散40-50min,获得第一分散液;
2)称取氧化铝、碳化锆和氧化钽,球磨混合3-5h后,在1000-1080℃下进行煅烧处理,煅烧1-1.5h,获得煅烧料;
3)将煅烧料自然冷却至室温后,球磨成粉,并过200目筛,获得煅烧粉料;
4)称取钨粉、铬粉和镍粉,并与煅烧粉料混合,加入无水乙醇,搅拌30min后,超声分散40-50min,获得第二分散液;
5)将第一分散液与第二分散液混合,超声分散40-50min后,放入球磨罐中,球磨15-20h,获得球磨液;
6)将球磨液放入真空干燥箱中,在140-145℃下进行真空干燥,获得坯料;
7)将坯料在150Mpa下等静压成型,获得素坯;
8)将素坯放入石墨模具中进行真空热压烧结,获得成品,烧结温度为1550-1580℃,压力为45-50Mpa,具体烧结工艺为:首先以8℃/min升温至烧结温度前100℃,保温30min,然后以4℃/min升温至烧结温度,保温45min,最后随炉冷却至室温。
6.如权利要求1-4任一所述的金属陶瓷材料在制备高韧性模具材料中的用途。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160706 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |