CN105986139A - 一种新型碳化钛金属陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳化钛金属陶瓷及其制备技术领域，提出了一种新型碳化钛金属陶瓷及其快速原位反应烧结方法。所述新型碳化钛金属陶瓷的成分质量百分比为：TiC 55–70%，Fe 25–35%，Mo₂C 0–15%，VC 0–5%。新型碳化钛金属陶瓷的制备方法包括准备原料及称量配料、球磨混合细化原料、快速制备金属陶瓷等工艺步骤。本发明中碳化钛粉体和粘结相铁通过原位碳热还原反应直接生成，克服了常规粉末冶金法中粉体分别合成再烧结导致的粘结相铁易氧化，以及在两相界面易引入杂质等缺陷。本发明具有工艺流程较短、升温速率很快、烧结温度较低、烧结时间很短、热压烧结、粉体生成与烧结一体化等诸多优势。

Description

一种新型碳化钛金属陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于碳化钛金属陶瓷及其制备技术领域，更具体地说，是一种新型铁粘结碳化钛金属陶瓷及其快速原位反应烧结方法。

背景技术

碳化钛金属陶瓷是以TiC为硬质相，以Ni、Co等为粘结相，以其他添加剂组成的金属基复合材料，具有高熔点、高硬度、化学稳定性和导电性好等系列优点，因而是硬质合金、耐磨部件、切削刀具、电极等的优选材料。然而，Ni和Co为稀有战略金属，其市场价格比较昂贵。因而，选择一种具有较佳粘结性能的廉价金属替代Ni和Co是非常必要的。

Fe与Ni、Co同属元素周期表ⅧA组元素，具有相似特性，而且Fe资源丰富，价格便宜，因而是碳化钛金属陶瓷较理想的替代粘结相。但是，以TiC、Fe等为原料，通过传统混料、球磨、制粒、成型、烧结的粉体冶金法制备TiC基金属陶瓷不但工序长、能耗大、成本高，同时由于Fe易氧化导致金属陶瓷成分难以控制，以及各组分界面污染而影响材料性能。因而，探索一条低成本、短流程制备高性能碳化钛金属陶瓷的新途径就显得非常重要。

天然钛铁矿采选出来的钛精矿价格便宜，主要成分为TiO₂、Fe₂O₃和FeO，以其为主要原料短流程原位制备高性能新型铁粘结碳化钛金属陶瓷值得期待。近年来，钛精矿原位碳热还原制备铁基复合粉体及块材的研究逐渐增多，采用的方法主要有真空烧结、热压烧结、微波烧结。在这些方法中，真空烧结反应速度慢，粉体合成和块材制备分开进行，工艺流程长，属于传统粉体冶金法。热压烧结加压与烧结同步进行，流程较短，制备材料性能较好，但加热方式决定了其反应烧结时间较长。微波烧结反应烧结时间短，但还是属于无压烧结，材料性能提高受限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足之处，提供一种不含Ni和Co粘结相的碳化钛金属陶瓷，以及提供一种新型碳化钛金属陶瓷的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种新型碳化钛金属陶瓷，其特征在于，材料的成分质量百分比为：TiC 55–70%，Fe 25–35%，Mo₂C 0–15%，VC 0–5%，材料中的TiC和Fe由钛精矿原位碳热还原反应获得，TiC不足时由TiO₂碳热还原反应产物补充。

一种新型碳化钛金属陶瓷的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：

（1）准备原料及称量配料

根据所制备碳化钛金属陶瓷的成分确定原料质量配比，将钛精矿粉体、碳源粉体和添加剂粉体按照确定配比称量配料；

（2）球磨混合细化原料

将上述配好原料和硬质合金磨球放入球磨罐中，在高能球磨机上Ar气保护气氛下对原料进行机械球磨，直至获得均匀混合的纳米晶原料细粉；

（3）快速制备金属陶瓷

将上述均匀混合原料细粉装入石墨模具后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，进行放电等离子原位碳热还原和烧结，制得碳化钛金属陶瓷。

所述高能球磨的球料比为10:1–30:1，球磨时间为10–40h。

所述放电等离子快速制备金属陶瓷分两步完成，第一步为原位碳热还原，第二步为金属陶瓷的烧结，工艺条件分别如下：

第一步：初始真空度<1Pa，系统压力1–5MPa，升温速率200–300℃/min，反应温度1250–1400℃，保温时间10–20min；

第二步：烧结真空度<1Pa，系统压力50–80MPa，升温速率100–200℃/min，烧结温度1400–1450℃，保温时间3–5min。

相比现有技术，本发明具有如下突出优点：

1. 本发明不使用价格较昂贵的TiC陶瓷粉体为钛源，不使用战略金属Ni、Co作为粘结相，所用主要原料钛精矿来源广、价格低，并可同时提供部分钛源和粘结相铁两种成分。

2. 本发明中碳化钛粉体和粘结相铁通过原位碳热还原反应直接生成，克服了常规粉末冶金法中粉体分别合成再烧结导致的粘结相铁易氧化，以及在两相界面易引入杂质等缺陷。

3. 本发明克服了仅用钛精矿为钛源金属陶瓷TiC成分单一的缺点，通过外加TiO₂的碳热还原可补充TiC，并添加Mo₂C改善Fe与TiC之间的润湿性，加入VC提高金属陶瓷的力学性能。

4. 本发明中原位碳热还原和烧结在放电等离子烧结系统上进行，具有工艺流程较短、升温速率很快、烧结温度较低、烧结时间很短、热压烧结、粉体生成与烧结一体化等诸多优势。

具体实施方式

下面以FeTiO₃质量分数大于97%的钛精矿为主要原料，结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种新型TiC–30Fe金属陶瓷，制备方法包括以下步骤及工艺条件：

（1）准备原料及称量配料

根据所制备碳化钛金属陶瓷的成分，确定原料质量配比为FeTiO₃: TiO₂:C=1.7:1:1，将钛精矿、TiO₂和碳黑按照该配比称量配料。

（2）球磨混合细化原料

将上述配好原料放入不锈钢球磨罐中，并按球料比15:1放入硬质合金磨球，在高能振动球磨机上Ar气保护气氛下对原料进行机械球磨25h，获得均匀混合的纳米晶原料细粉。

（3）快速制备金属陶瓷

将上述25g均匀混合原料细粉装入Φ20石墨模具后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，进行放电等离子原位碳热还原和烧结，工艺条件如下：第一步：初始真空度<1Pa，系统压力5MPa，升温速率250℃/min，反应温度1350℃，保温时间12min；第二步：烧结真空度<1Pa，系统压力60MPa，升温速率150℃/min，烧结温度1420℃，保温时间3min。

通过以上制备方法，获得组织均匀的新型TiC–30Fe金属陶瓷，其相对密度大于95%，宏观硬度为88HRA，抗弯强度为1127MPa。

实施例2

一种新型TiC–30Fe–10Mo₂C金属陶瓷，制备方法包括以下步骤及工艺条件：

（1）准备原料及称量配料

根据所制备碳化钛金属陶瓷的成分，确定原料质量配比为FeTiO₃:TiO₂:C:Mo₂C=8.1:3.7: 4.3:1，将钛精矿、TiO₂、碳黑和Mo₂C按照该配比称量配料。

（2）球磨混合细化原料

将上述配好原料放入不锈钢球磨罐中，并按球料比15:1放入硬质合金磨球，在高能振动球磨机上Ar气保护气氛下对原料进行机械球磨25h，获得均匀混合的纳米晶原料细粉。

（3）快速制备金属陶瓷

将上述25g均匀混合原料细粉装入Φ20石墨模具后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，进行放电等离子原位碳热还原和烧结，工艺条件如下：第一步：初始真空度<1Pa，系统压力5MPa，升温速率250℃/min，反应温度1350℃，保温时间12min；第二步：烧结真空度<1Pa，系统压力60MPa，升温速率150℃/min，烧结温度1420℃，保温时间3min。

通过以上制备方法，获得组织均匀的新型TiC–30Fe–10Mo₂C金属陶瓷，相对密度大于97%，宏观硬度为90HRA，抗弯强度为1286MPa。

实施例3

一种新型TiC–25Fe–10Mo₂C金属陶瓷，制备方法包括以下步骤及工艺条件：

（1）准备原料及称量配料

根据所制备碳化钛金属陶瓷的成分，确定原料质量配比为FeTiO₃:TiO₂:C:Mo₂C=6.8:5.1: 4.4:1，将钛精矿、TiO₂、碳黑和Mo₂C按照该配比称量配料。

（2）球磨混合细化原料

将上述配好原料放入不锈钢球磨罐中，并按球料比25:1放入硬质合金磨球，在高能振动球磨机上Ar气保护气氛下对原料进行机械球磨20h，获得均匀混合的纳米晶原料细粉。

（3）快速制备金属陶瓷

将上述25g均匀混合原料细粉装入Φ20石墨模具后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，进行放电等离子原位碳热还原和烧结，工艺条件如下：第一步：初始真空度<1Pa，系统压力3MPa，升温速率300℃/min，反应温度1300℃，保温时间16min；第二步：烧结真空度<1Pa，系统压力70MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1410℃，保温时间5min。

通过以上制备方法，获得组织均匀的新型TiC–25Fe–10Mo₂C金属陶瓷，相对密度大于98%，宏观硬度为91HRA，抗弯强度为1345MPa。

实施例4

一种新型TiC–30Fe–10Mo₂C–5VC金属陶瓷，制备方法包括以下步骤及工艺条件：

（1）准备原料及称量配料

根据所制备碳化钛金属陶瓷的成分，确定原料质量配比为FeTiO₃:TiO₂:C:Mo₂C:VC=16.3: 6.1: 7.9:2:1，将钛精矿、TiO₂、碳黑、Mo₂C和VC按照该配比称量配料。

（2）球磨混合细化原料

将上述配好原料放入不锈钢球磨罐中，并按球料比15:1放入硬质合金磨球，在高能振动球磨机上Ar气保护气氛下对原料进行机械球磨25h，获得均匀混合的纳米晶原料细粉。

（3）快速制备金属陶瓷

将上述25g均匀混合原料细粉装入Φ20石墨模具后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，进行放电等离子原位碳热还原和烧结，工艺条件如下：第一步：初始真空度<1Pa，系统压力5MPa，升温速率250℃/min，反应温度1350℃，保温时间12min；第二步：烧结真空度<1Pa，系统压力60MPa，升温速率150℃/min，烧结温度1420℃，保温时间3min。

通过以上制备方法，获得组织均匀的新型TiC–30Fe–10Mo₂C–5VC金属陶瓷，相对密度大于99%，宏观硬度为92HRA，抗弯强度为1482MPa。

实施例5

一种新型TiC–25Fe–10Mo₂C–5VC金属陶瓷，制备方法包括以下步骤及工艺条件：

（1）准备原料及称量配料

根据所制备碳化钛金属陶瓷的成分，确定原料质量配比为FeTiO₃:TiO₂:C:Mo₂C:VC=13.6: 8.9: 8.3:2:1，将钛精矿、TiO₂、碳黑、Mo₂C和VC按照该配比称量配料。

（2）球磨混合细化原料

将上述配好原料放入不锈钢球磨罐中，并按球料比25:1放入硬质合金磨球，在高能振动球磨机上Ar气保护气氛下对原料进行机械球磨20h，获得均匀混合的纳米晶原料细粉。

（3）快速制备金属陶瓷

将上述25g均匀混合原料细粉装入Φ20石墨模具后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，进行放电等离子原位碳热还原和烧结，工艺条件如下：第一步：初始真空度<1Pa，系统压力3MPa，升温速率300℃/min，反应温度1300℃，保温时间16min；第二步：烧结真空度<1Pa，系统压力70MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1410℃，保温时间5min。

通过以上制备方法，获得组织均匀的新型TiC–25Fe–10Mo₂C–5VC金属陶瓷，相对密度大于99%，宏观硬度为93HRA，抗弯强度为1525MPa。

Claims (4)

1.一种新型碳化钛金属陶瓷，其特征在于，材料的成分质量百分比为：TiC 55–70%，Fe 25–35%，Mo₂C 0–15%，VC 0–5%，材料中的TiC和Fe由钛精矿原位碳热还原反应获得，TiC不足时由TiO₂碳热还原反应产物补充。

2.一种新型碳化钛金属陶瓷的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：

（1）准备原料及称量配料

根据所制备碳化钛金属陶瓷的成分确定原料质量配比，将钛精矿粉体、碳源粉体和添加剂粉体按照确定配比称量配料；

（2）球磨混合细化原料

将上述配好原料和硬质合金磨球放入球磨罐中，在高能球磨机上Ar气保护气氛下对原料进行机械球磨，直至获得均匀混合的纳米晶原料细粉；

（3）快速制备金属陶瓷

将上述均匀混合原料细粉装入石墨模具后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，进行放电等离子原位碳热还原和烧结，制得碳化钛金属陶瓷。

3.根据权利要求2所述的一种新型碳化钛金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述高能球磨的球料比为10:1–30:1，球磨时间为10–40h。

4.根据权利要求2所述的一种新型碳化钛金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述放电等离子快速制备金属陶瓷分两步完成，第一步为原位碳热还原，第二步为金属陶瓷的烧结，工艺条件分别如下：

第一步：初始真空度<1Pa，系统压力1–5MPa，升温速率200–300℃/min，反应温度1250–1400℃，保温时间10–20min；

第二步：烧结真空度<1Pa，系统压力50–80MPa，升温速率100–200℃/min，烧结温度1400–1450℃，保温时间3–5min。