CN107217187A - 一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法。该材料的制备以Ti粉、炭黑、Cu粉、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)酒精溶液为初始原料。利用不同浓度PVB的造孔作用以及Ti与C在900~1300℃的温度和50~500MPa成型压力下反应程度不同的特点,原位制备出气孔分布均匀、气孔率可调的非化学计量比TiCx预制体。之后用熔融的Cu无压浸渗多孔TiCx预制体的方法成功制备出了陶瓷相含量高且可调的金属陶瓷材料。该方法制备的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料具有高强度、高硬度、高耐磨、耐高温及良好延展性等显著特点,可用于交通运输、航空航天、军工等领域的关键部件,如高铁制动系统中的闸片,电阻焊电极材料等。

Description

一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法。
背景技术
铜及其合金材料因具有良好的导电导热性、易加工性和高韧性等特点而受到中外研究者的广泛关注。但是,由于纯铜材料的强度低、硬度低,使得纯铜在工业上的广泛使用受到了限制。TiC是一种常用作增强相的立方晶系硬质颗粒,因其具有高熔点、高硬度、高温稳定性和高化学稳定性等特点而被广泛应用于切削刀具材料、耐磨耐火材料、航空和冶金矿产等领域。在现有的研究中,TiC普遍是以颗粒存在于基体铜中,通过阻碍晶界滑移起到增强基体的作用,但是这种方法很难制备出高陶瓷含量的复合材料。在现有的制备方法中,浸渗法是一种制备高陶瓷含量的复合材料的有效方法。但是,由于TiC与铜的润湿性差,因此通过普通手段无法达到浸渗的目的。有研究表明,当C与Ti的化学计量比小于0.7 时,TiCx与Cu表现出良好的润湿性。鉴于上述特点,本发明采用了两个步骤成功制备出了TiCx含量高的金属陶瓷材料。步骤一,制备非化学计量比的多孔TiCx预制体;步骤二,在高温下用熔融的Cu无压浸渗步骤一中制备出的多孔预制体。用这种方法成功制备出了TiCx含量高,结构致密,并且陶瓷相与金属相界面结合好的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。该方法是一种制备高陶瓷含量复合材料的有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以非化学计量比的多孔TiCx预制体(气孔率为 5~50%)和Cu粉为原料制备TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法。
本发明的技术方案:
1、一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法,其特征在于:
(1)该方法制备得到的TiCx/Cu金属陶瓷材料,其成分如下:金属相Cu的含量为5~50vol%;陶瓷相TiCx的含量为:95~50vol%;
(2)该方法制备得到的TiCx/Cu金属陶瓷材料,其显微结构如下:陶瓷相TiCx与金属相Cu各自呈三维空间连续分布,二者界面结合牢固;
(3)该方法包括以下步骤:
步骤1,配料:将钛粉(粒径≤45μm)和炭黑按照摩尔比2:1配料;
步骤2,混料:将上述配好的料100g放入球磨罐中,再加入500g不锈钢球,在高能行星球磨机中球磨10h,转速为250~400r/min;
步骤3,引入造孔剂:将步骤2中球磨后的料100g和浓度为1~5wt%的PVB酒精溶液100g搅拌混匀,放置在50℃的烘箱中烘24h;
步骤4,压坯:将烘干后的粉秤取适量放置在Φ50的模具中,并施加50~ 500MPa的压强,使模具中的粉料压实成型;
步骤5,烧结:将坯体放入高温炉中,在真空环境下,400℃之前按照3~5℃/min 的升温速率,在400℃保温60min,然后10℃/min升至反应温度900~1300℃,反应时间30~60min,冷却后取出;
步骤6,超声波清洗:将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min,在50℃的烘箱中烘干48h,就得到多孔TiCx预制体;
步骤7,无压浸渗:将预制体放置在石墨坩埚中,预制体上铺适量铜粉,放入高温炉中,在真空环境下,以10℃/min升至1100~1200℃,反应时间30min,冷却后取出,即得到TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。
本发明所具有的有益效果:
本发明方法可以制备TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料;该金属陶瓷材料TiCx/Cu 是通过熔融的铜无压浸渗多孔TiCx预制体制得,利用TiCx与Cu的互为骨架、相互增强并且界面结合良好的特点,使得材料同时具备了金属和陶瓷的双重性能;通过引入造孔剂以及控制Ti与C的反应程度,控制多孔TiCx预制体的气孔率,也就控制了TiCx/Cu双连续金属陶瓷中的金属铜的含量。本发明的制备方法具有工艺简单、操作方便、成本低等显著特点。
本发明制备的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料可用于交通运输、航空航天、军工等领域的关键部件,如高铁制动系统中的闸片,电阻焊电极材料等。
附图说明
图1和图2分别是多孔TiCx预制体和无压浸渗铜后的TiCx/Cu双连续金属陶瓷显微结构的扫描电镜照片(SEM)
具体实施方式
实施方式一
秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g,炭黑11.14g,不锈钢球500g放置在行星球磨罐中,高能球磨10h,转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为1wt%的PVB 溶液100g搅拌混匀,放置在50℃的烘箱中烘24h,将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中,并施加500MPa的压强,使模具中的粉料压实成型,将坯体放入高温炉中,在真空环境下,400℃之前按照3℃/min的升温速率,在400℃保温60min,然后10℃/min升至反应温度1300℃,反应时间30min,冷却后取出,将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min,在50℃的烘箱中烘干48h,就得到多孔TiCx预制体,将预制体放置在石墨坩埚中,预制体上铺50g铜粉,放入高温炉中,在真空环境下,以10℃/min升至1200℃,反应时间30min,冷却后取出,即得到金属相含量为5.03vol%的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。
实施方式二
秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g,炭黑11.14g,不锈钢球500g放置在行星球磨罐中,高能球磨10h,转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为2wt%的PVB 溶液100g搅拌混匀,放置在50℃的烘箱中烘24h,将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中,并施加250MPa的压强,使模具中的粉料压实成型,将坯体放入高温炉中,在真空环境下,400℃之前按照3℃/min的升温速率,在400℃保温60min,然后10℃/min升至反应温度1300℃,反应时间30min,冷却后取出,将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min,在50℃的烘箱中烘干48h,就得到多孔TiCx预制体,将预制体放置在石墨坩埚中,预制体上铺50g铜粉,放入高温炉中,在真空环境下,以10℃/min升至1200℃,反应时间30min,冷却后取出,即得到金属相含量为15.88vol%的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。
实施方式三
秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g,炭黑11.14g,不锈钢球500g放置在行星球磨罐中,高能球磨10h,转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为3wt%的PVB 溶液100g搅拌混匀,放置在50℃的烘箱中烘24h,将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中,并施加500MPa的压强,使模具中的粉料压实成型,将坯体放入高温炉中,在真空环境下,400℃之前按照3℃/min的升温速率,在400℃保温60min,然后10℃/min升至反应温至1100℃,反应时间30min,冷却后取出,将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min,在50℃的烘箱中烘干48h,就得到多孔TiCx预制体,将预制体放置在石墨坩埚中,预制体上铺50g铜粉,放入高温炉中,在真空环境下,以10℃/min升至1200℃,反应时间30min,冷却后取出,即得到金属相含量为23.16vol%的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。
实施方式四
秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g,炭黑11.14g,不锈钢球500g放置在行星球磨罐中,高能球磨10h,转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为3wt%的PVB 溶液100g搅拌混匀,放置在50℃的烘箱中烘24h,将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中,并施加70MPa的压强,使模具中的粉料压实成型,将坯体放入高温炉中,在真空环境下,400℃之前按照3℃/min的升温速率,在400℃保温 60min,然后10℃/min升至反应温度1300℃,反应时间30min,冷却后取出,将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min,在50℃的烘箱中烘干48h,就得到多孔TiCx预制体,将预制体放置在石墨坩埚中,预制体上铺50g铜粉,放入高温炉中,在真空环境下,以10℃/min升至1200℃,反应时间30min,冷却后取出,即得到金属相含量为34.25vol%的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。
实施方式五
秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g,炭黑11.14g,不锈钢球500g放置在行星球磨罐中,高能球磨10h,转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为5wt%的PVB 溶液100g搅拌混匀,放置在50℃的烘箱中烘24h,将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中,并施加70MPa的压强,使模具中的粉料压实成型,将坯体放入高温炉中,在真空环境下,400℃之前按照3℃/min的升温速率,在400℃保温 60min,然后10℃/min升至反应温度900℃,反应时间30min,冷却后取出,将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min,在50℃的烘箱中烘干48h,就得到多孔TiCx预制体,将预制体放置在石墨坩埚中,预制体上铺50g铜粉,放入高温炉中,在真空环境下,以10℃/min升至1200℃,反应时间30min,冷却后取出,即得到金属相含量为50.01vol%的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。

Claims (1)

1.一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法,其特征在于:
(1)该方法制备得到的TiCx/Cu金属陶瓷材料,其成分如下:金属相Cu的含量为5~50vol%;陶瓷相TiCx的含量为:95~50vol%;
(2)该方法制备得到的TiCx/Cu金属陶瓷材料,其显微结构如下:陶瓷相TiCx与金属相Cu各自呈三维空间连续分布,二者界面结合牢固;
(3)该方法包括以下步骤:
步骤1,配料:将钛粉(粒径≤45μm)和炭黑按照摩尔比2:1配料;
步骤2,混料:将上述配好的料100g放入球磨罐中,再加入500g不锈钢球,在高能行星球磨机中球磨10h,转速为250~400r/min;
步骤3,引入造孔剂:将步骤2中球磨后的料100g和浓度为1~5wt%的PVB酒精溶液100g搅拌混匀,放置在50℃的烘箱中烘24h;
步骤4,压坯:将烘干后的粉秤取适量放置在Φ50的模具中,并施加50~500MPa的压强,使模具中的粉料压实成型;
步骤5,烧结:将坯体放入高温炉中,在真空环境下,400℃之前按照3~5℃/min的升温速率,在400℃保温60min,然后10℃/min升至反应温度900~1300℃,反应时间30~60min,冷却后取出;
步骤6,超声波清洗:将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min,在50℃的烘箱中烘干48h,就得到多孔TiCx预制体;
步骤7,无压浸渗:将预制体放置在石墨坩埚中,预制体上铺适量铜粉,放入高温炉中,在真空环境下,以10℃/min升至1100~1200℃,反应时间30min,冷却后取出,即得到TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。
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