CN107868898A - 一种WCoB‑TiC‑SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

一种WCoB‑TiC‑SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种WCoB‑TiC‑SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法。其技术方案是：以30～60wt%的碳化钨粉末、3～12wt%的碳化硼粉末、6～20wt%的碳化钛粉末、10～25wt%的钴粉末、3～15wt%的硅粉末、3～12wt%的铬粉末、3～12wt%的镍粉末、3～12wt%的钼粉末、0.3～2wt%的碳化钒粉末、0.3～2wt%的碳化铬粉和0.3～2wt%的改性碳化硅晶须为原料，将所述原料与成型剂混合，球磨，在100~300MPa条件下压制成型，成型后的坯体分别于200～400℃和1200～1800℃条件下保温30～120min，即得WCoB‑TiC‑SiC复相金属陶瓷材料。本发明所制制品不仅具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性和优良的耐高温性能的特点，且具有很高的强度和韧性，能满足更加苛刻的服役条件。

Description

一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复相金属陶瓷材料技术领域。具体涉及一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
硼化物陶瓷及其复合材料以其优异的物理化学特性，成为最有发展前途的金属陶瓷，在新材料领域发挥着极其重要的作用。由于二元硼化物在烧结过程中容易团聚，并与金属反应生成金属间化合物，从而降低金属液相对硼化物的润湿性，导致二元硼化物基金属陶瓷机械性能下降。而采用原位反应烧结合成法，使二元硼化物与金属发生反应生成三元硼化物，能获得硼化物细小且均匀分布的三元硼化物基金属陶瓷，该三元硼化物基金属陶瓷具有良好的耐磨损、耐腐蚀、耐高温等特性，在工程陶瓷、航空航天、核工业等领域展现出巨大的应用潜力。
目前，国内外学者研究较多也最具代表性的三元硼化物基金属陶瓷主要包括Mo2FeB2基、Mo2NiB2基和WCoB基三类。其中，Mo2FeB2基金属陶瓷具有良好的力学性能、耐磨耐蚀性，但其高温强度和抗氧化性能差；Mo2NiB2基金属陶瓷具有优异的高温性能和耐蚀性，但耐磨性和抗粘附性能差。与之相比，WCoB基金属陶瓷具有更高的硬度、耐磨性和耐蚀性，特别是其优异的高温强度和抗高温氧化性能是Mo2FeB2和Mo2NiB2两种金属陶瓷材料所不具备的。然而，WCoB基金属陶瓷（Takagi Ken-ichi. Development and application of highstrength ternary boride base cermets. Journal of Solid State Chemistry 2006;179: 2809-2818.）因固有的脆性大，使其强韧性不足，应用受到限制。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的在于提供了一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法。用该方法所制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料不仅具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性和优良的耐高温性能，且具有高的强度和韧性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
所述复相金属陶瓷材料的原料及其含量是：碳化钨粉末为30～60wt%；碳化硼粉末为3～12wt%；碳化钛粉末为6～20wt%；钴粉末为10～25wt%；硅粉末为3～15wt%；铬粉末为3～12wt%；镍粉末为3～12wt%；钼粉末为3～12wt%；碳化钒粉末为0.3～2wt%；碳化铬粉末为0.3～2wt%；改性碳化硅晶须为0.3～2wt%。
所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法是，按所述原料及其含量配料，依次按下述步骤进行：
(1)球磨
按所述原料∶成型剂的质量比为1∶（0.03~0.08），将所述原料与所述成型剂混合，得混合料；将所述混合料和球磨介质加入球磨机中，球磨至粒径≤1μm，得到球磨料。
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
(2)成型
将所述球磨料在100~300MPa条件下压制成型，得到成型后的坯体。
(3)烧结
将成型后的坯体置于烧结炉中，在5~10Pa条件下以0.3～0.5℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；然后在1200～1800℃条件下烧结30～120min，随炉冷却，即得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料。
所述改性碳化硅晶须的制备方法是：将碳化硅晶须置入辉光放电等离子炉中，在工作电压为300～600V、工作电流为0.1～0.5A、氩气气氛和10～120Pa条件下辉光放电处理60～150min，再经超声分散处理，得到改性碳化硅晶须。
所述氩气纯度为≥99.0Vol%。
所述压制成型为模压成型或为等静压成型。
所述球磨的磨球∶混合料的质量比为（4～10）∶1，磨球为硬质合金球、钢球、钢玉球中的一种。
所述烧结为热压烧结、热等静压烧结和微波烧结中的一种。
所述球磨介质为无水乙醇、汽油、丙酮、乙烷、四氯化碳、苯中的一种。
所述碳化硅晶须的纯度≥99wt%。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明以碳化钨、碳化硼、碳化钛、钴、铬、镍、钼、碳化钒、碳化铬、改性碳化硅晶须等粉末为原料，经混料、球磨、成型和烧结，制得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料，工艺简单。
本发明在原料中加入铬能有效改善材料耐磨性和耐蚀性，加入镍能进一步改善材料耐磨性，加入钼能提高金属基体对陶瓷相的润湿性并增加材料韧性，加入碳化钛能提高材料的硬度和强度，加入碳化钒和碳化铬能细化晶粒，从而提高材料强度和韧性，加入改性碳化硅晶须能进一步提高材料强度和韧性。
本发明制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料，其相对密度≥99.1%，硬度≥92.3HRA，抗弯强度≥1836MPa，断裂韧性≥12.3MPa·m1/2。该金属陶瓷材料可用于切削刀具、热作模具、高温高压密封件等，特别适合于替代高温、高压、强腐蚀等恶劣环境中使用的硬质合金材料，能显著延长材料使用寿命。
因此，本发明所制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料不仅具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性和优良的耐高温性能，而且也具有很高的强度和韧性，能满足更加苛刻的服役条件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并对本发明保护范围的限制：
所述氩气纯度为≥99.0Vol%。
所述球磨的磨球∶混合料的质量比为（4～10）∶1。
所述碳化硅晶须的纯度≥99wt%。
实施例1
一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法。
所述复相金属陶瓷材料的原料及其含量是：碳化钨粉末为30～40wt%；碳化硼粉末为7～12wt%；碳化钛粉末为10～20wt%；钴粉末为10～21wt%；硅粉末为7～15wt%；铬粉末为7～12wt%；镍粉末为7～12wt%；钼粉末为7～12wt%；碳化钒粉末为1.1～2wt%；碳化铬粉末为1.1～2wt%；改性碳化硅晶须为1.1～2wt%。
所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法是，按所述原料及其含量配料，依次按下述步骤进行：
(1)球磨
按所述原料∶成型剂的质量比为1∶（0.03~0.08），将所述原料与所述成型剂混合，得混合料；将所述混合料和球磨介质加入球磨机中，球磨至粒径≤1μm，得到球磨料。
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
(2)成型
将所述球磨料在100~300MPa条件下压制成型，得到成型后的坯体。
(3)烧结
将成型后的坯体置于烧结炉中，在5~10Pa条件下以0.3～0.5℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；然后在1200～1800℃条件下烧结30～120min，随炉冷却，即得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料。
所述改性碳化硅晶须的制备方法是：将碳化硅晶须置入辉光放电等离子炉中，在工作电压为300～600V、工作电流为0.1～0.5A、氩气气氛和10～120Pa条件下辉光放电处理60～150min，再经超声分散处理，得到改性碳化硅晶须。
所述压制成型为模压成型。
所述烧结为热压烧结。
所述球磨介质为无水乙醇。
所述磨球为硬质合金球。
本实施例制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料经检测：相对密度为99.1~99.5%；硬度为93.6~95.0HRA；抗弯强度为1836~2135MPa；断裂韧性为12.3~15.2MPa·m1/2。
实施例2
一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法。
所述复相金属陶瓷材料的原料及其含量是：碳化钨粉末为35～45wt%；碳化硼粉末为6～11wt%；碳化钛粉末为9～19wt%；钴粉末为11～22wt%；硅粉末为6～14wt%；铬粉末为6～11wt%；镍粉末为6～11wt%；钼粉末为6～11wt%；碳化钒粉末为0.9～1.8wt%；碳化铬粉末为0.9～1.8wt%；改性碳化硅晶须为0.9～1.8wt%。
所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法是，按所述原料及其含量配料，依次按下述步骤进行：
(1)球磨
按所述原料∶成型剂的质量比为1∶（0.03~0.08），将所述原料与所述成型剂混合，得混合料；将所述混合料和球磨介质加入球磨机中，球磨至粒径≤1μm，得到球磨料。
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
(2)成型
将所述球磨料在100~300MPa条件下压制成型，得到成型后的坯体。
(3)烧结
将成型后的坯体置于烧结炉中，在5~10Pa条件下以0.3～0.5℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；然后在1200～1800℃条件下烧结30～120min，随炉冷却，即得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料。
所述改性碳化硅晶须的制备方法是：将碳化硅晶须置入辉光放电等离子炉中，在工作电压为300～600V、工作电流为0.1～0.5A、氩气气氛和10～120Pa条件下辉光放电处理60～150min，再经超声分散处理，得到改性碳化硅晶须。
所述压制成型为等静压成型。
所述烧结为热等静压烧结。
所述球磨介质为汽油。
所述磨球为钢球。
本实施例制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料经检测：相对密度为99.2~99.6%；硬度为93.2~94.8HRA；抗弯强度为1860~2147MPa；断裂韧性为12.8~15.7MPa·m1/2。
实施例3
一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法。
所述复相金属陶瓷材料的原料及其含量是：碳化钨粉末为40～50wt%；碳化硼粉末为5～10wt%；碳化钛粉末为8～18wt%；钴粉末为12～23wt%；硅粉末为5～13wt%；铬粉末为5～10wt%；镍粉末为5～10wt%；钼粉末为5～10wt%；碳化钒粉末为0.7～1.6wt%；碳化铬粉末为0.7～1.6wt%；改性碳化硅晶须为0.7～1.6wt%。
所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法是，按所述原料及其含量配料，依次按下述步骤进行：
(1)球磨
按所述原料∶成型剂的质量比为1∶（0.03~0.08），将所述原料与所述成型剂混合，得混合料；将所述混合料和球磨介质加入球磨机中，球磨至粒径≤1μm，得到球磨料。
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
(2)成型
将所述球磨料在100~300MPa条件下压制成型，得到成型后的坯体。
(3)烧结
将成型后的坯体置于烧结炉中，在5~10Pa条件下以0.3～0.5℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；然后在1200～1800℃条件下烧结30～120min，随炉冷却，即得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料。
所述改性碳化硅晶须的制备方法是：将碳化硅晶须置入辉光放电等离子炉中，在工作电压为300～600V、工作电流为0.1～0.5A、氩气气氛和10～120Pa条件下辉光放电处理60～150min，再经超声分散处理，得到改性碳化硅晶须。
所述压制成型为模压成型。
所述烧结为微波烧结。
所述球磨介质为丙酮。
所述磨球为钢玉球。
本实施例制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料经检测：相对密度为99.3~99.7%；硬度为92.8~94.5HRA；抗弯强度为1906~2203MPa；断裂韧性为13.2~16.8MPa·m1/2。
实施例4
一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法。
所述复相金属陶瓷材料的原料及其含量是：碳化钨粉末为45～55wt%；碳化硼粉末为4～9wt%；碳化钛粉末为7～17wt%；钴粉末为13～24wt%；硅粉末为4～12wt%；铬粉末为4～9wt%；镍粉末为4～9wt%；钼粉末为4～9wt%；碳化钒粉末为0.5～1.4wt%；碳化铬粉末为0.5～1.4wt%；改性碳化硅晶须为0.5～1.4wt%。
所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法是，按所述原料及其含量配料，依次按下述步骤进行：
(1)球磨
按所述原料∶成型剂的质量比为1∶（0.03~0.08），将所述原料与所述成型剂混合，得混合料；将所述混合料和球磨介质加入球磨机中，球磨至粒径≤1μm，得到球磨料。
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
(2)成型
将所述球磨料在100~300MPa条件下压制成型，得到成型后的坯体。
(3)烧结
将成型后的坯体置于烧结炉中，在5~10Pa条件下以0.3～0.5℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；然后在1200～1800℃条件下烧结30～120min，随炉冷却，即得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料。
所述改性碳化硅晶须的制备方法是：将碳化硅晶须置入辉光放电等离子炉中，在工作电压为300～600V、工作电流为0.1～0.5A、氩气气氛和10～120Pa条件下辉光放电处理60～150min，再经超声分散处理，得到改性碳化硅晶须。
所述压制成型为等静压成型。
所述烧结为热压烧结。
所述球磨介质为乙烷。
所述磨球为硬质合金球。
本实施例制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料经检测：相对密度为99.4~99.8%；硬度为92.5~94.2HRA；抗弯强度为1935~2248MPa；断裂韧性为13.6~17.6MPa·m1/2。
实施例5
一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料及其制备方法。
所述复相金属陶瓷材料的原料及其含量是：碳化钨粉末为50～60wt%；碳化硼粉末为3～8wt%；碳化钛粉末为6～16wt%；钴粉末为14～25wt%；硅粉末为3～11wt%；铬粉末为3～8wt%；镍粉末为3～8wt%；钼粉末为3～8wt%；碳化钒粉末为0.3～1.2wt%；碳化铬粉末为0.3～1.2wt%；改性碳化硅晶须为0.3～1.2wt%。
所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法是，按所述原料及其含量配料，依次按下述步骤进行：
(1)球磨
按所述原料∶成型剂的质量比为1∶（0.03~0.08），将所述原料与所述成型剂混合，得混合料；将所述混合料和球磨介质加入球磨机中，球磨至粒径≤1μm，得到球磨料。
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
(2)成型
将所述球磨料在100~300MPa条件下压制成型，得到成型后的坯体。
(3)烧结
将成型后的坯体置于烧结炉中，在5~10Pa条件下以0.3～0.5℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；然后在1200～1800℃条件下烧结30～120min，随炉冷却，即得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料。
所述改性碳化硅晶须的制备方法是：将碳化硅晶须置入辉光放电等离子炉中，在工作电压为300～600V、工作电流为0.1～0.5A、氩气气氛和10～120Pa条件下辉光放电处理60～150min，再经超声分散处理，得到改性碳化硅晶须。
所述压制成型为等静压成型。
所述烧结为热等静压烧结。
所述球磨介质为四氯化碳或为苯。
所述磨球为钢玉球。
本实施例制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料经检测：相对密度为99.5~99.9%；硬度为92.3~94.0HRA；抗弯强度为1968~2276MPa；断裂韧性为13.8~18.2MPa·m1/2。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式以碳化钨、碳化硼、碳化钛、钴、铬、镍、钼、碳化钒、碳化铬、改性碳化硅晶须等粉末为原料，经混料、球磨、成型和烧结，制得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料，工艺简单。
本具体实施方式在原料中加入铬能有效改善材料耐磨性和耐蚀性，加入镍能进一步改善材料耐磨性，加入钼能提高金属基体对陶瓷相的润湿性并增加材料韧性，加入碳化钛能提高材料的硬度和强度，加入碳化钒和碳化铬能细化晶粒，从而提高材料强度和韧性，加入改性碳化硅晶须能进一步提高材料强度和韧性。
本具体实施方式制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料，其相对密度≥99.1%，硬度≥92.3HRA，抗弯强度≥1836MPa，断裂韧性≥12.3MPa·m1/2。该金属陶瓷材料可用于切削刀具、热作模具、高温高压密封件等，特别适合于替代高温、高压、强腐蚀等恶劣环境中使用的硬质合金材料，能显著延长材料使用寿命。
因此，本具体实施方式所制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料不仅具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性和优良的耐高温性能，而且也具有很高的强度和韧性，能满足更加苛刻的服役条件。

Claims (8)

1.一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的原料及其含量是：碳化钨粉末为30～60wt%，碳化硼粉末为3～12wt%，碳化钛粉末为6～20wt%，钴粉末为10～25wt%，硅粉末为3～15wt%，铬粉末为3～12wt%，镍粉末为3～12wt%，钼粉末为3～12wt%，碳化钒粉末为0.3～2wt%，碳化铬粉末为0.3～2wt%，改性碳化硅晶须为0.3～2wt%；
所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法是：按所述原料及其含量配料，依次按下述步骤进行：
(1)球磨
按所述原料∶成型剂的质量比为1∶（0.03~0.08），将所述原料与所述成型剂混合，得混合料；将所述混合料和球磨介质加入球磨机中，球磨至粒径≤1μm，得到球磨料；
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种；
(2)成型
将所述球磨料在100~300MPa条件下压制成型，得到成型后的坯体；
(3)烧结
将成型后的坯体置于烧结炉中，在5~10Pa条件下以0.3～0.5℃/min速率升温至200～400℃，保温30～120min；然后在1200～1800℃条件下烧结30～120min，随炉冷却，即得WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料；
所述改性碳化硅晶须的制备方法是：将碳化硅晶须置入辉光放电等离子炉中，在工作电压为300～600V、工作电流为0.1～0.5A、氩气气氛和10～120Pa条件下辉光放电处理60～150min，再经超声分散处理，得到改性碳化硅晶须。
2.根据权利要求1所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述氩气纯度为≥99.0Vol%。
3.根据权利要求1所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述压制成型为模压成型或为等静压成型。
4.根据权利要求1所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述球磨的磨球∶混合料的质量比为（4～10）∶1，磨球为硬质合金球、钢球、钢玉球中的一种。
5.根据权利要求1所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述烧结为热压烧结、热等静压烧结和微波烧结中的一种。
6.根据权利要求1所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述球磨介质为无水乙醇、汽油、丙酮、乙烷、四氯化碳、苯中的一种。
7.根据权利要求1所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述碳化硅晶须的纯度≥99wt%。
8.一种WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料，其特征在于所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料是根据权利要求1~7项中任一项所述WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料的制备方法所制备的WCoB-TiC-SiC复相金属陶瓷材料。
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