CN111500948B - 一种无Co相TiCN基金属陶瓷材料及制备方法 - Google Patents
一种无Co相TiCN基金属陶瓷材料及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种无Co相TiCN基金属陶瓷材料及制备方法,解决了有技术中的金属陶瓷材料中均含有Co,不能在无Co金属添加条件下,达到正常金属陶瓷相同的性能指标的技术问题。其制备包括下述重量百分比的主料:第一硬质相45%‑60%;第二硬质相25%‑30%;粘结相10%‑30%;AlN晶须0‑3%;各主料的重量百分比之和为100%;所述第一硬质相为TiCN颗粒;所述第二硬质相至少包括Mo2C颗粒,且所述Mo2C颗粒含量为第二硬质相总重量的50%‑100%;所述粘结相至少包括Ni,且所述Ni含量为粘结相总重量的80%‑100%。本发明不使用Co作为粘结相组成,但是能达到与正常金属陶瓷相同的性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及一种TiCN基金属陶瓷材料,具体涉及一种无Co相TiCN基金属陶瓷材料及制备方法。
背景技术
金属陶瓷是一种典型的多元复合材料,其制备过程需要使用硬质相、粘结相进行复合来实现和保证材料的性能。通常所使用的粘结相多为铁族金属,Co是目前使用量最多且最大的粘结相金属。但Co的使用在近年来存在以下问题:
1、Co金属目前已被确认为致癌物,在欧洲市场目前大量提倡减少和降低Co的使用;
2、Co作为一种稀缺金属,同时其开采和冶炼过程也会造成大量的污染,因此业界也在积极讨论使用其他金属粘结剂替代Co的作用。
3、Co具有强烈的铁磁性效果,同时具有毒性,在一些对无磁要求较高或与人体接触的领域,比如医用器械等,无法使用含Co的材料。
但同时,Co是已知的几种适合作为粘结相金属中机械性能、韧性、抗冲击、抗断折等性能最为优秀的韧性金属。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题:
现有技术中的金属陶瓷材料中均含有Co,不能在无Co金属添加条件下,达到正常金属陶瓷相同的性能指标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无Co相TiCN基金属陶瓷材料及制备方法,以解决现有技术中的金属陶瓷材料中均含有Co,不能在无Co金属添加条件下,达到正常金属陶瓷相同的性能指标的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的,本发明提供了以下技术方案:
本发明提供的一种无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其制备包括下述重量百分比的主料:第一硬质相45-60%;第二硬质相25-30%;粘结相10-30%;AlN晶须0-3%;各主料的重量百分比之和为100%;其中,
所述第一硬质相为TiCN颗粒;
所述第二硬质相至少包括Mo2C颗粒,且所述Mo2C颗粒含量为第二硬质相总重量的50%-100%;
所述粘结相至少包括Ni,且所述Ni含量为粘结相总重量的80%-100%。
进一步的,各主料的重量百分比分别为:第一硬质相50%-55%;第二硬质相25%-27%;粘结相18%-25%;AlN晶须1.5%-2.5%;各主料的重量百分比之和为100%。
进一步的,各主料的重量百分比分别为:第一硬质相52%;第二硬质相26%;粘结相20%;AlN晶须2%。
进一步的,所述Ni与Mo2C颗粒的重量比为0.7-2.5:1,且所述Ni与第二硬质相的重量比为0.3-2.1:1。
进一步的,AlN晶须的长度为500-1000nm,且所述AlN晶须的直径<50nm。
进一步的,所述TiCN颗粒为TiC、TiN的连续固溶体,具体描述为TiCxN1-x;当所述第二硬质相中Mo2C含量小于100%时,所述第二硬质相还包括WC颗粒以及选自元素周期表中第四族、第五族或第六族金属元素的碳化物颗粒、氮化物颗粒或碳氮化物颗粒中的一种或任意几种;当所述粘结相中Ni含量小于100%时,所述粘结相还包括Ti、V、Cr、Mn和Fe中的任意一种或几种。
进一步的,所述第二硬质相包括下述重量百分比的组分:WC颗粒3%;Mo2C颗粒17.5%;TaC 5.5%;所述粘结相中Ni含量为粘结相总重量的100%。
进一步的,其制备还包括辅料,所述辅料为成型剂和分散剂,所述成型剂的加入量为主料总重量的2.5%-3.5%;所述分散剂的加入量为多少。
本发明提供的无Co相TiCN基金属陶瓷材料的制备方法,包括下述步骤:
(1)将主料及辅料加入球磨机中湿磨50h-70h,得混合料浆;所述辅料为成型剂和分散剂;
(2)干燥:将步骤(1)制备的混合料浆进行干燥并制粒,制得颗粒均匀的球状混合料粒子;
(3)压制:将步骤(2)制备的球状混合料粒子经压制得到压坯;
(4)烧结:将步骤(3)中制备的压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结,烧结温度1450℃-1580℃保温1.5h-2.5h,然后随炉冷却即得无Co相TiCN基金属陶瓷材料。
进一步的,所述步骤(1)中,所述AlN晶须的加入时间为湿磨结束前8h。
基于上述技术方案,本发明实施例至少可以产生如下技术效果:
本发明提供的无Co相TiCN基金属陶瓷材料及制备方法,制备出的无Co相TiCN基金属陶瓷材料中不含Co,却可以达到正常金属陶瓷相同的性能指标;本发明提供的无Co相TiCN基金属陶瓷材料及制备方法,避免了Co金属的使用,对环境保护有利,且满足了无磁要求较高或与人体接触的领域金属陶瓷材料的使用。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
制备实施例:
主料:
在实施例1-实施例6中制备无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其主料加入量(以重量百分比计)如下述表1所示;同时,提供对比例1-对比例4,对比例1中加入了Co,对比例2中AlN晶须的直径为0.1um(其他主料均与实施例2中相同),对比例3中AlN晶须的长度为200nm(其他主料均与实施例2中相同),对比例4中Mo2C的含量小于第二硬质相总重量的50%,对比例1-对比例4中主料加入量(以重量百分比计)同样如下述表1所示:
表1实施例及对比例的主料表
制备方法:
实施例1:
1、辅料:
成型剂采用粉末状的石蜡,石蜡的加入量为主料(第一硬质相、第二硬质相和粘结相)总重量的3%;
分散剂采用乙醇,乙醇的加入量为主料(第一硬质相、第二硬质相和粘结相)总重量的70%;
2、制备方法包括下述步骤:
(1)湿磨(球料比为5:1):
将石蜡、乙醇、第一硬质相、第二硬质相和粘结相加入球磨机中,球磨56h,得混合料浆;
(2)干燥:将步骤(1)中制备的混合料浆经出口温度100℃,N2保护条件下喷雾干燥制粒,制得颗粒均匀的球状混合料粒子;
(3)压制:将步骤(2)中制备的球状混合料粒子在模具中经模压压制成压坯,模压压力为1.5T/cm2;所述压坯为5mm*5mm*30mm的长方体形状;
(4)烧结:将步骤(3)中制备的压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结,在烧结温度1500℃、烧结炉压5MPa的条件下保温2h,然后随炉降温冷却后得到无Co相TiCN基金属陶瓷材料。
实施例2:
1、辅料:
成型剂采用粉末状的石蜡,石蜡的加入量为主料(第一硬质相、第二硬质相、粘结相和AlN晶须)总重量的3.5%;
分散剂采用乙醇,乙醇的加入量为主料(第一硬质相、第二硬质相、粘结相和AlN晶须)总重量的60%;
2、制备方法包括下述步骤:
(1)湿磨(球料比为5:1):
①将石蜡、乙醇、第一硬质相、第二硬质相和粘结相加入球磨机中,球磨42h,得混合料浆;
②将AlN晶须加入球磨机中,继续球磨8h,得混合料浆;
(2)干燥:将步骤(1)中制备的混合料浆经出口温度100℃,N2保护条件下喷雾干燥制粒,制得颗粒均匀的球状混合料粒子;
(3)压制:将步骤(2)中制备的球状混合料粒子在模具中经模压压制成压坯,模压压力为1.5T/cm2;所述压坯为5mm*5mm*30mm的长方体形状;
(4)烧结:将步骤(3)中制备的压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结,在烧结温度1500℃、烧结炉压5MPa的条件下保温2.5h,然后随炉降温冷却后得到无Co相TiCN基金属陶瓷材料。
实施例3:
1、辅料:
成型剂采用粉末状的石蜡,石蜡的加入量为主料(第一硬质相、第二硬质相、粘结相和AlN晶须)总重量的2.5%;
分散剂采用乙醇,乙醇的加入量为主料(第一硬质相、第二硬质相、粘结相和AlN晶须)总重量的50%;
2、制备方法包括下述步骤:
(1)湿磨(球料比为5:1):
①将石蜡、乙醇、第一硬质相、第二硬质相和粘结相加入球磨机中,球磨62h,得混合料浆;
②将AlN晶须加入球磨机中,继续球磨8h,得混合料浆;
(2)干燥:将步骤(1)中制备的混合料浆经出口温度100℃,N2保护条件下喷雾干燥制粒,制得颗粒均匀的球状混合料粒子;
(3)压制:将步骤(2)中制备的球状混合料粒子在模具中经模压压制成压坯,模压压力为1.5T/cm2;所述压坯为5mm*5mm*30mm的长方体形状;
(4)烧结:将步骤(3)中制备的压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结,在烧结温度为1580℃、烧结炉压5MPa的条件下保温2h,然后随炉降温冷却后得到无Co相TiCN基金属陶瓷材料。
实施例4:
1、辅料:
成型剂采用粉末状的石蜡,石蜡的加入量为主料(第一硬质相、第二硬质相、粘结相和AlN晶须)总重量的3%;
分散剂采用乙醇,乙醇的加入量为主料(第一硬质相、第二硬质相、粘结相和AlN晶须)总重量的80%;
2、制备方法包括下述步骤:
(1)湿磨(球料比为5:1):
①将石蜡、乙醇、第一硬质相、第二硬质相和粘结相加入球磨机中,球磨52h,得混合料浆;
②将AlN晶须加入球磨机中,继续球磨8h,得混合料浆;
(2)干燥:将步骤(1)中制备的混合料浆经出口温度100℃,N2保护条件下喷雾干燥制粒,制得颗粒均匀的球状混合料粒子;
(3)压制:将步骤(2)中制备的球状混合料粒子在模具中经模压压制成压坯,模压压力为1.5T/cm2;所述压坯为5mm*5mm*30mm的长方体形状;
(4)烧结:将步骤(3)中制备的压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结,在烧结温度为1450℃、烧结炉压5MPa的条件下保温2h,然后随炉降温冷却后得到无Co相TiCN基金属陶瓷材料。
实施例5-实施例6:
辅料和制备方法均同实施例2。
对比例1:
辅料和制备方法同实施例1,其中Co是作为粘结相加入;制得复合材料。
对比例2:
辅料和制备方法同实施例2;制得复合材料。
对比例3:
辅料和制备方法同实施例2;制得复合材料。
对比例4:
辅料和制备方法同实施例1;制得复合材料。
将实施例1-实施例6中制备的无Co相TiCN基金属陶瓷材料以及对比例1-对比例4中制备的复合材料进行硬度、抗弯强度、断裂韧性的性能检测,检测结果如下表2所示:
表2实施例及对比例性能参数表
硬度(HV30) | 抗弯强度(MPa) | 材料断裂韧性(MPa·m1/2) | |
检测指标 | 1400-1580 | ≥1800 | ≥7.60 |
实施例1 | 1580 | 2400 | 8.11 |
实施例2 | 1620 | 2600 | 7.87 |
实施例3 | 1430 | 2600 | 9.20 |
实施例4 | 1570 | 2500 | 8.03 |
实施例5 | 1650 | 2300 | 7.62 |
实施例6 | 1480 | 2800 | 8.60 |
对比例1 | 1580 | 2300 | 8.01 |
对比例2 | 1510 | 1300 | 7.22 |
对比例3 | 1610 | 2250 | 7.81 |
对比例4 | 1580 | 1600 | 7.34 |
由表2可以看出:
实施例1中制得的无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其各项性能与对比例1(以Co作为粘结相)制备的复合材料持平,抗弯强度和材料断裂韧性甚至有超出。
实施例2中制得的无Co相TiCN基金属陶瓷材料,在加入AlN晶须后,其硬度及抗弯强度有进一步提升,但因其强化机理会适当降低材料断裂韧性,所以断裂韧性有所下降。
对比例4中制得的复合材料,其抗弯强度及韧性均出现大幅下降,此为Mo2C加量未在本发明范围内,而产生的润湿性不足,而导致的强度下降。
对比例2中制得的复合材料,因所使用的AlN晶须直径过大,而导致其未起到希望的增韧效果,反而产生了夹杂的效果,造成了各项性能的显著降低。
对比例3中制得的复合材料,因所使用的AlN晶须长度不足,在最终性能上并未表现出较明显的增韧增强效果。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其特征在于:其制备包括下述重量百分比的主料:第一硬质相45%-60%;第二硬质相25%-30%;粘结相10%-30%;AlN晶须0-3%;各主料的重量百分比之和为100%;其中,
所述第一硬质相为TiCN颗粒;
所述第二硬质相至少包括Mo2C颗粒,且所述Mo2C颗粒含量为第二硬质相总重量的50%-100%;
所述粘结相至少包括Ni,且所述Ni含量为粘结相总重量的80%-100%;
所述Ni与Mo2C颗粒的重量比为0.7-2.5:1,且所述Ni与第二硬质相的重量比为0.3-2.1:1;
AlN晶须的长度为500-1000nm,且所述AlN晶须的直径<50nm。
2.根据权利要求1所述的无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其特征在于:各主料的重量百分比分别为:第一硬质相50%-55%;第二硬质相25%-27%;粘结相18%-25%;AlN晶须1.5%-2.5%;各主料的重量百分比之和为100%。
3.根据权利要求2所述的无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其特征在于:各主料的重量百分比分别为:第一硬质相52%;第二硬质相26%;粘结相20%;AlN晶须2%。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其特征在于:所述TiCN颗粒为TiC、TiN的连续固溶体,具体描述为TiCxN1-x;当所述第二硬质相中Mo2C含量小于100%时,所述第二硬质相还包括WC颗粒以及选自元素周期表中第四族、第五族或第六族金属元素的碳化物颗粒、氮化物颗粒或碳氮化物颗粒中的一种或任意几种;当所述粘结相中Ni含量小于100%时,所述粘结相还包括Ti、V、Cr、Mn和Fe中的任意一种或几种。
5.根据权利要求4所述的无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其特征在于:所述第二硬质相包括下述重量百分比的组分:WC 颗粒3%;Mo2C 颗粒17.5%;TaC 5.5%;所述粘结相中Ni含量为粘结相总重量的100%。
6.根据权利要求4所述的无Co相TiCN基金属陶瓷材料,其特征在于:其制备还包括辅料,所述辅料为成型剂和分散剂,所述成型剂的加入量为主料总重量的2.5%-3.5%。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的无Co相TiCN基金属陶瓷材料的制备方法,其特征在于:包括下述步骤:
(1)将主料及辅料加入球磨机中湿磨50h-70h,得混合料浆;所述辅料为成型剂和分散剂;
(2)干燥:将步骤(1)制备的混合料浆进行干燥并制粒,制得颗粒均匀的球状混合料粒子;
(3)压制:将步骤(2)制备的球状混合料粒子经压制得到压坯;
(4)烧结:将步骤(3)中制备的压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结,在烧结温度1450℃-1580℃保温1.5h-2.5h,然后随炉冷却即得无Co相TiCN基金属陶瓷材料。
8.根据权利要求7所述的无Co相TiCN基金属陶瓷材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,所述AlN晶须的加入时间为湿磨结束前8h。
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