CN106086577B - 一种TiN基金属陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TiN基金属陶瓷，它包括陶瓷相和金属粘结相；所述陶瓷相成分为TiN、WC和TiC中的一种或多种，且至少含有TiN；所述金属粘结相成分为316不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢、304L不锈钢、Ni和Co中的至少一种；所述金属陶瓷中各成分质量百分比含量为：TiN 40～85％，WC 0～20％，TiC 0～25％，316不锈钢0～30％，316L不锈钢0～30％，304不锈钢0～30％，304L不锈钢0～30％，Ni 0～30％，Co 0～30％，其316不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢、304L不锈钢、Ni和Co的质量百分比不同时为0％。该金属陶瓷在保持良好耐磨性的基础上，具有较高的抗弯强度和断裂韧性，可广泛应用于轴承材料、切削刀具、模具材料等领域，还可作为代金装饰材料，具有良好的仿金效果和装饰价值。

Description

一种TiN基金属陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料领域及其制备方法，尤其是TiN基金属陶瓷及其制备方法。
背景技术
金属陶瓷是一种由金属或合金与一种或多种陶瓷相所组成的非均质复合材料。其不但保持有陶瓷高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗氧化和化学稳定性等特性，又有金属的高韧性、较高的导热/导电性、在骤冷或骤热条件下不易脆裂等特性，是一种十分重要的工具材料及结构材料。金属陶瓷用途极为广泛，几乎涉及到社会经济和现代技术的每个领域，对工业化的进展及生产率的提高起着十分重要的推动作用，对金属陶瓷的研究已成为材料研究领域中极受关注的一类研究课题。
氮化钛是一种多功能金属陶瓷材料，它熔点高、硬度大、摩擦系数小、是热和电的良导体并具有很好的抗氧化性、耐磨性、耐腐蚀性和化学稳定性。尤其引人注目的是其具有诱人的金黄色，可作为代金装饰材料，具有很好的仿金效果和装饰价值。然而，目前氮化钛的相关研究及其应用主要集中在TiN涂层材料上，对于全致密块体氮化钛基陶瓷产品的研发甚少。相比于氮化钛涂层在使用过程中存在的寿命短、易剥落、制备成本高的缺点，全致密的块体氮化钛基金属陶瓷具有很高的研究价值和非常广阔应用前景。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种TiN基金属陶瓷及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
所述TiN基金属陶瓷包括陶瓷相和金属粘结相；所述陶瓷相成分为TiN、WC和TiC中的一种或多种，且至少含有TiN；所述金属粘结相成分为316不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢、304L不锈钢、Ni和Co中的至少一种；所述金属陶瓷中各成分质量百分比含量为：TiN 40～85％，WC 0～20％，TiC 0～25％，316不锈钢0～30％，316L不锈钢0～30％，304不锈钢0～30％，304L不锈钢0～30％，Ni 0～30％，Co 0～30％，其316不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢、304L不锈钢、Ni和Co的质量百分比不同时为0％。
其中，所述组成陶瓷相的粉末的粒径为0.5～10μm，组成金属粘结相的粉末的粒径为450～550目，优选为500目。
上述TiN基金属陶瓷的制备方法包括如下步骤：
(1)按上述质量百分比含量将陶瓷相粉末和金属粘结相粉末混合并添加成型剂同时进行湿磨，湿磨时的球料比为4:1～10:1，湿磨时间为8～24h；
(2)将湿磨后得到的混合料在真空干燥箱中进行干燥，并在100～400MPa下冷压成型；
(3)将冷压成型后的压坯在管式炉中的氢气气氛下进行脱脂，然后在真空气压烧结炉中进行烧结，即得金属陶瓷。
其中，步骤(1)中湿磨时的介质为无水乙醇。
步骤(1)中所述的成型剂为石蜡，成型剂的添加量为陶瓷相粉末和金属粘结相粉末混合物质量的1％～3％。
步骤(2)所述干燥的温度为80～120℃，干燥时间为5～8h。
步骤(3)所述脱脂时的温度为350～600℃，脱脂时间为5～8h。
步骤(3)所述烧结时的温度为1400～1600℃，烧结时的压力为2～20MPa。
本发明的有益效果为：
本发明所述的的TiN基金属陶瓷材料具有较高的硬度(HRA86～92)、良好的抗弯性能(σb＝900～2800MPa)和断裂韧性(KIC＝8～20MPa m1/2)，同时拥有与金属间极低的摩擦系数，优良的化学稳定性和抗氧化性，因此具有较好的耐磨性、红硬性和较长的使用寿命，在保持较高硬度、良好耐磨性的基础上，较大幅度地提高其抗弯强度和断裂韧性。可广泛应用于轴承材料、切削刀具、模具材料等领域。此外，本发明的金属陶瓷具有良好的仿金效果和装饰价值，可应用于代金装饰材料，拥有十分广阔的市场前景。
附图说明
图1为该发明制备的TiN-316L金属陶瓷的微观组织结构图；
图2为该发明制备的TiN-304金属陶瓷的微观组织结构图；
图3为该发明制备的TiN-WC-Ni金属陶瓷的微观组织结构图；
图4为该发明制备的TiN-WC-Ni金属陶瓷的微观组织结构图；
图5为该发明制备的TiN-WC-TiC-Co金属陶瓷的微观组织结构图；
图6为该发明制备的TiN-WC-TiC-Co-Ni金属陶瓷的微观组织结构图。
具体实施方式
实施例1
TiN-316L金属陶瓷。
所述金属陶瓷的组分为85wt％TiN+15wt％316L。将符合上述质量百分比的氮化钛粉末和316L不锈钢粉末混合，同时添加2％的成型剂石蜡，共同放入行星球磨机中进行混料研磨8h，其中以无水乙醇作为球磨介质，球料比为6:1；然后将球磨后的混合料置于真空干燥箱中在80℃下干燥6h；再在200MPa下压制成型。最后将成型压坯经500℃脱脂并在温度为1450℃、压力为6MPa的真空气压烧结炉中烧结制备出成品。该金属陶瓷硬度为87.2HRA，抗弯强度为1556MPa，断裂韧性为10.6MPa m1/2，同时具有亮丽的金属光泽，具备良好的仿金效果和装饰价值。
实施例2
TiN-304金属陶瓷。
所述金属陶瓷的组分为80wt％TiN+20wt％304。将符合上述质量百分比的氮化钛粉末和304不锈钢粉末与含量为2％的成型剂石蜡一起放入行星球磨机中进行混料研磨12h，其中以无水乙醇作为球磨介质，球料比为5:1；然后将球磨后的混合料置于真空干燥箱中在100℃下干燥6h；再在150MPa下压制成型。最后将成型压坯经500℃脱脂并在温度为1450℃、压力为3MPa的真空气压烧结炉中烧结制备出成品。该金属陶瓷硬度为88HRA，抗弯强度为1608MPa，断裂韧性为9.9MPa m1/2，同时具有亮丽的金属光泽，具备良好的仿金效果和装饰价值。
实施例3
TiN-WC-Ni金属陶瓷。
所述金属陶瓷的组分为70wt％TiN+5wt％WC+25wt％Ni。将符合上述质量百分比的氮化钛粉、碳化钨粉和Ni粉混合，并加入1.5％的成型剂石蜡，同时放入行星球磨机中进行混料研磨14h，其中以无水乙醇作为球磨介质，球料比为8:1；然后将球磨后的混合料置于真空干燥箱中并在80℃下干燥7h；再在300MPa下压制成型。最后将成型压坯经500℃脱脂并在温度为1400℃、压力为5MPa的真空气压烧结炉中烧结制备出成品。该金属陶瓷硬度为89.7HRA，抗弯强度为2050MPa，断裂韧性为15.2MPa m1/2。
实施例4
TiN-WC-Ni金属陶瓷。
所述金属陶瓷的组分为80wt％TiN+5wt％WC+15wt％Ni。将符合上述质量百分比的氮化钛粉、碳化钨粉和Ni粉混合，同时掺入1.5％的成型剂石蜡，共同放入行星球磨机中进行混料研磨14h，其中以无水乙醇作为球磨介质，球料比为5:1；然后将球磨后的混合料置于真空干燥箱中并在90℃下干燥6h；再在400MPa下压制成型。最后将成型压坯经500℃脱脂并在温度为1400℃、压力为2MPa的真空气压烧结炉中烧结制备出成品。该金属陶瓷硬度为90.8HRA，抗弯强度为2013MPa，断裂韧性为13.2MPa m1/2。
实施例5
TiN-WC-TiC-Co金属陶瓷。
所述金属陶瓷的组分为70wt％TiN+8wt％WC+2％TiCwt％+20wt％Co。将符合上述质量百分比的氮化钛粉、碳化钨粉、碳化钛粉和Co粉混合，并加入1.5％的成型剂石蜡，同时放入行星球磨机中进行混料研磨20h，其中以无水乙醇作为球磨介质，球料比为5:1；然后将球磨后的混合料置于真空干燥箱中并在90℃下干燥6h；再在170MPa下压制成型。最后将成型压坯经600℃脱脂并在温度为1420℃、压力为2MPa的真空气压烧结炉中烧结制备出成品。该金属陶瓷硬度为91HRA，抗弯强度为2100MPa，断裂韧性为18.6MPa m1/2。
实施例6
TiN-WC-TiC-Ni-Co金属陶瓷。
所述金属陶瓷的组分为65wt％TiN+5wt％WC+5wt％TiC+15wt％Ni+10wt％Co。将符合上述质量百分比的氮化钛粉、碳化钨粉、碳化钛粉、Ni粉和Co粉混合，并加入3％的成型剂石蜡，共同置于行星球磨机中进行混料研磨24h，其中以无水乙醇作为球磨介质，球料比为4:1；然后将球磨后的混合料置于真空干燥箱中并在100℃下干燥5h；再在300MPa下压制成型。最后将成型压坯经560℃脱脂并在温度为1560℃、压力为10MPa的真空气压烧结炉中烧结制备出成品。该金属陶瓷硬度为90.7HRA，抗弯强度为2181MPa，断裂韧性为18.8MPa m1/2。

Claims (8)

1.一种TiN基金属陶瓷，其特征在于，所述金属陶瓷包括陶瓷相和金属粘结相；所述陶瓷相成分为TiN、WC和TiC中的一种或多种，且至少含有TiN；所述金属粘结相成分为316不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢、304L不锈钢、Ni和Co中的至少一种；所述金属陶瓷中各成分质量百分比含量为：TiN 65～85％，WC 0～20％，TiC 0～25％，316不锈钢0～30％，316L不锈钢0～30％，304不锈钢0～30％，304L不锈钢0～30％，Ni 0～30％，Co 0～30％，其中316不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢、304L不锈钢、Ni和Co的质量百分比不同时为0％；所述TiN基金属陶瓷制备方法如下：(1)按前述质量百分比将陶瓷相粉末和金属粘结相粉末混合并添加成型剂同时进行湿磨，湿磨时的球料比为4:1～10:1，湿磨时间为8～24h；(2)将湿磨后得到的混合料在真空干燥箱中进行干燥，并在100～400MPa下冷压成型；(3)将冷压成型后的压坯在管式炉中的氢气气氛下进行脱脂，然后在真空气压烧结炉中进行烧结，即得金属陶瓷；所述烧结时的温度为1400～1600℃，烧结时的压力为2～20MPa。
2.根据权利要求1所述的TiN基金属陶瓷，其特征在于，所述陶瓷相粉末的粒径为0.5～10μm，所述金属粘结相粉末的粒径为450～550目。
3.根据权利要求2所述的TiN基金属陶瓷，其特征在于，所述金属粘结相粉末的粒径为500目。
4.如权利要求1至3任一项所述TiN基金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)按所述的质量百分比含量将陶瓷相粉末和金属粘结相粉末混合并添加成型剂同时进行湿磨，湿磨时的球料比为4:1～10:1，湿磨时间为8～24h；
(2)将湿磨后得到的混合料在真空干燥箱中进行干燥，并在100～400MPa下冷压成型；
(3)将冷压成型后的压坯在管式炉中的氢气气氛下进行脱脂，然后在真空气压烧结炉中进行烧结，即得金属陶瓷；所述烧结时的温度为1400～1600℃，烧结时的压力为2～20MPa。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中湿磨时的介质为无水乙醇。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的成型剂为石蜡，成型剂的添加量为陶瓷相粉末和金属粘结相粉末混合物质量的1％～3％。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述干燥的温度为80～120℃，干燥时间为5～8h。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述脱脂时的温度为350～600℃，脱脂时间为5～8h。
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