CN113355611A - 一种碳纤维增强MoCoB金属陶瓷及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强MoCoB金属陶瓷及制备方法，该方法包含如下步骤：步骤1，配制Mo、Co、B、碳纤维的混合粉末：所述混合粉末质量比为Mo∶Co∶B∶碳纤维＝(0.50‑0.65)∶(0.30‑0.40)∶(0.02‑0.08)∶(0.01‑0.06)；步骤2，对所述混合粉末进行球磨，使混合粉末进一步混合均匀；步骤3，对球磨后的混合粉末进行干燥；步骤4，对干燥后的混合粉末使用压型机压型，用于降低压型粉末内部缝隙，排出粉末内的空气；步骤5，对于压型后的混合粉末在惰性气体保护下进行高温烧结，得到碳纤维增强MoCoB金属陶瓷。本方法制备的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷材料兼具低孔隙率、高强度、高硬度、良好的韧性和耐腐蚀性等优异性能，可用于磨损、腐蚀及高温氧化等工况。

Description

一种碳纤维增强MoCoB金属陶瓷及制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属陶瓷的制备技术，具体涉及一种碳纤维增强MoCoB金属陶瓷及制备方法。

背景技术

在矿上机械、机械加工、石油钻井、冶金等领域，WC-Co硬质合金已经被广泛应用于切削、研磨、注塑等摩擦磨损工况中。但是由于金属钨产量较低，WC的大量应用将会不可避免的引起钨资源的大量消耗，同时由于钨的密度高达15.6g/cm³，致使WC-Co合金具有较大重量，增加工件的能耗。因此，探索一种不含钨的高机械强度与化学稳定性的金属陶瓷材料是现在科学研究与工业生产的重要方向之一。

过渡金属硼化物具有较高的强度、硬度、耐磨性和热稳定性成为硬质合金的主要研究对象，其中三元硼化物MoCoB金属陶瓷材料为MoCoB陶瓷相与Co相(密度为8.9g/cm³)组成的陶瓷金属复合物材料，其兼具MoCoB的高硬度、高强度、耐磨耐蚀等性能与Co金属的高韧性、塑性等性能，同时相对WC-Co其硬度与强度并未降低，但重量可显著降低。MoCoB金属陶瓷具有极好的综合力学性能，但在恶劣磨损环境下长时间服役时，其性能与寿命仍受到严重挑战，其硬度、强度、耐磨耐蚀等性能仍需要进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服MoCoB金属陶瓷中陶瓷相与Co金属相结合性不够的问题，增加MoCoB金属陶瓷性能，提高MoCoB金属陶瓷的硬度、耐磨性、冲击韧性、弯曲强度、断裂强度和耐腐蚀性，延长MoCoB金属陶瓷的使用寿命。

为了达到上述目的，本发明提供了一种碳纤维增强MoCoB金属陶瓷及制备方法。包含如下步骤：

步骤1，配制Mo、Co、B、碳纤维的混合粉末：所述混合粉末质量比为Mo∶Co∶B∶碳纤维＝(0.50-0.65)∶(0.30-0.40)∶(0.02-0.08)∶(0.01-0.06)；

步骤2，对所述混合粉末进行球磨，使混合粉末进一步混合均匀；

步骤3，对球磨后的混合粉末进行干燥；

步骤4，对干燥后的混合粉末使用压型机压型，用于降低压型粉末内部缝隙，排出粉末内的空气；

步骤5，对于压型后的混合粉末在惰性气体保护下进行高温烧结，得到碳纤维增强MoCoB金属陶瓷。

较佳地，步骤1中所述的Mo、Co、B、碳纤维的纯度均大于99％，粒径均为0.01-100μm。

较佳地，步骤2中，所述球磨方法为湿磨法，以无水乙醇和不锈钢球作为球磨介质，将步骤1配制好的混合粉末加入球磨罐中，依次加入无水乙醇和不锈钢球进行混合后球磨；进一步地，所述混合粉末与所述球磨介质的质量比为不锈钢球∶混合粉末∶无水乙醇＝(4-8)∶(2-4)∶(1-2)，球磨时间为10-24小时。

较佳地，步骤3中，干燥温度为80-160℃，干燥时间为8-10小时。

较佳地，步骤4中，所述压型的压力为100-300MPa。

较佳地，步骤5中，所述高温烧结包含升温过程和保温过程，升温至700-800℃后保温20-60min；再升温至1300℃后保温20-60min，烧结后冷却至室温；进一步地，在所述升温过程中，1000℃以下时，升温速度为5-10℃/min，1000℃以上时，升温速率为1-5℃/min。

本发明还公开了通过上述制备方法制成的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷，该碳纤维增强MoCoB金属陶瓷包含MoCoB相、Co相和碳纤维相。

本发明提供的方法可以制备碳纤维增强MoCoB金属陶瓷，碳纤维能起到“类树枝”的粘连作用，可促进MoCoB陶瓷相与Co相在碳纤维表面原位生长，使相位结合更加紧密，从而使晶粒细化，提高了MoCoB金属陶瓷中两相界面结合力，进而增强了其硬度、耐磨性、冲击韧性、弯曲强度、断裂强度、耐腐蚀性和使用寿命。

附图说明

图1为本发明的工艺方法路线图；

图2为加质量分数为2％碳纤维的MoCoB金属陶瓷XRD图(C表示为碳纤维)；

图3为不加碳纤维的MoCoB金属陶瓷SEM形貌图；

图4为加质量分数为2％碳纤维的MoCoB金属陶瓷SEM形貌图；

图5为不加碳纤维的MoCoB金属陶瓷和加质量分数为2％碳纤维的MoCoB金属陶瓷硬度对比图；

图6为不加碳纤维的MoCoB金属陶瓷和加质量分数为2％碳纤维的MoCoB金属陶瓷耐电化学腐蚀性对比图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，碳纤维增强MoCoB金属陶瓷性能及制备方法依次包括以下步骤：

步骤1(S1)，分别配制纯度均大于99％的单质钼粉末、单质钴粉末、单质硼粉末和短棒碳纤维粉末，然后将这些粉末混合，得到质量比为Mo∶Co∶B∶碳纤维＝(0.50-0.65)∶(0.30-0.40)∶(0.02-0.08)∶(0.01-0.06)的混合粉末；较佳地，所述混合粉末的粒径均为0.01-100μm；

步骤2(S2)，对所述混合粉末进行球磨；一些实施例中，球磨方法采用湿磨法，球磨介质为无水乙醇和不锈钢球；将所述混合粉末加入球磨罐中，依次加入无水乙醇和不锈钢球进行混合，质量比为不锈钢球∶混合粉末∶无水乙醇＝(4-8)∶(2-4)∶(1-2)；将球磨罐密封好放在球磨机内进行球磨，球磨时间为10-24小时；

步骤3(S3)，将球磨后的混合粉末取出放入干燥箱，在80-160℃环境下干燥8-10小时，得到干燥完成的混合粉末；

步骤4(S4)，将干燥完成后的混合粉末过筛，用于防止粉末团聚；然后对粉末进行压型；一些实施例中，称取混合粉末2-4g，置于机械压型机内，在100-300MPa的压力下将所述混合粉末压实成型，要求压实程度为：无宏观裂纹、颗粒脱落，尽量降低压型粉末内部缝隙，排出粉末内的空气；

步骤5(S5)，把压型完成的混合粉末放入瓷舟中，将盛放粉末的瓷舟放入真空烧结炉进行在氩气的保护下烧结；通入氩气的方法为多次抽真空、充气交替进行；一些实施例中，抽真空至10^-3-10^-4Pa的真空度，然后通入氩气，抽真空和通入氩气反复操作2-3次，目的在于去除通气管道中的残留空间，为后续高纯氩气保护热烧结做准备；烧结包含升温过程和保温过程；升温至700-800℃后保温20-60min，再升温至1300℃后保温20-60min，在所述升温过程中，1000℃以下时，升温速度为5-10℃/min，1000℃以上时，升温速率为1-5℃/min，所述两次保温过程的目的是让混合粉末在特定温度下充分反应；之后冷却至室温，得到碳纤维增强MoCoB金属陶瓷。

以下结合具体实施例和附图加以说明。

对比例1

(1)本例中不加入碳纤维。配制纯度均大于99％的单质钼粉末、单质钴粉末、单质硼粉末的混合粉末，所述混合粉末的质量比为Mo∶Co∶B＝0.58∶0.36∶0.06。

(2)对所述混合粉末进行球磨，以不锈钢球和无水乙醇为球磨介质，将配制好的粉末加入球磨罐中，依次加入无水乙醇和不锈钢球进行混合，质量比为不锈钢球∶混合粉末∶无水乙醇＝4∶2∶1，将球磨罐密封好放在球磨机内进行球磨，球磨时间为10-24小时。

(3)将球磨后的混合粉末取出放入干燥箱，在80-160℃环境下干燥8-10小时。

(4)将干燥完成后的混合粉末过筛，随后压型，使用的压力为200MPa，保压时间为120s。

(5)使用GSL-1600X真空烧结炉对压型后的混合粉末在氩气保护下进行高温烧结，首先一次抽真空至10^-4pa的真空度，通入氩气，二次抽真空至10^-4Pa的真空度，再通入氩气，为后续高纯氩气保护下烧结做准备。在1000℃内设置升温速度为10℃/min，在700-800℃保温20min，1000℃以上设置升温速率为5℃/min，最高温度为1300℃，保温20min，随后随炉冷却至室温。

本例制备了不含碳纤维的MoCoB金属陶瓷。

实施例1

(1)配制纯度均大于99％的单质钼粉末、单质钴粉末、单质硼粉末和短棒碳纤维的混合粉末，所述混合粉末的质量比为Mo∶Co∶B∶碳纤维＝0.55∶0.36∶0.07∶0.02。

其余步骤与对比例1完全相同。本实施例制备了碳纤维增强MoCoB金属陶瓷。

然后对上述对比例和实施例得到的产物进行表征。

利用X射线衍射仪(XRD，Rigaku Ultima IV)对含碳纤维MoCoB金属陶瓷的物相组成及组织结构进行表征，工作电压设为40kV、电流设为30mA，扫描角度范围为10-90°，扫描速度和步长分别为2°/min和0.02°，表征结果如图2所示，可以看出烧结生成的MoCoB基金属陶瓷中，生成的相有MoCoB相、Co相和碳纤维相。

利用扫描电子显微镜(SEM，Hitachi TM3030)分别表征不含碳纤维MoCoB金属陶瓷和含碳纤维MoCoB金属陶瓷的形貌和成分。如图3、图4所示，图3为不含碳纤维MoCoB金属陶瓷，图4为含碳纤维MoCoB金属陶瓷。图4的网状结构体现了碳纤维粉对陶瓷相与Co相之间起到“类树枝”的粘连作用，可促进MoCoB陶瓷相与Co相在碳纤维表面原位生长，使相位结合更加紧密，从而使晶粒细化。图4与图3相比较，可以明显看出添加碳纤维产生的成品表面孔隙更加少，表面更加光滑，低孔隙率导致产生MoCoB的成品硬度更加高，更加耐腐蚀。

利用数字式显微硬度计(HXD-1000TMC/LCD，上海泰明光学仪器有限公司)分别对不含碳纤维和含碳纤维MoCoB金属陶瓷的表面维氏硬度进行表征，其具体测试条件是将MoCoB金属陶瓷在200g载荷下加载15s，选取10个点进行硬度测量，取其平均值为最终硬度值。如图5所示，加碳纤维的要比不加碳纤维的形成物质硬度高两倍多。

在标准大气压，室温25℃下3.5wt.％NaCl溶液中，利用电化学工作站(AutolabPGSTAT302N)分别测试不含碳纤维和含碳纤维MoCoB金属陶瓷的动态极化曲线。如图6所示，采用标准三电极腐蚀系统进行测试，其中AgCl为参比电极，铂电极为对电极，金属陶瓷试样为工作电极，工作表面为1cm²。在动态极化曲线测试中，工作电极以1mV/s的扫描速度极化。从图中可以看出，加碳纤维的MoCoB腐蚀电位更高，腐蚀电流更小，具有良好的耐腐蚀性。

综上所述，本发明提供的方法通过化学反应来生成碳纤维增强MoCoB金属陶瓷；加入碳纤维粉对陶瓷相与Co相之间起到“类树枝”的粘连作用，可促进MoCoB陶瓷相与Co相在碳纤维表面原位生长，使相位结合更加紧密，从而使晶粒细化，提高了MoCoB金属陶瓷中两相界面结合力，进而增强了其硬度、耐磨性、冲击韧性、弯曲强度、断裂强度与耐腐蚀性。制备的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷材料相对单一MoCoB金属陶瓷而言，碳纤维增强MoCoB金属陶瓷材料兼具低孔隙率、高强度、高硬度、良好的韧性和耐腐蚀性等优异性能，使得MoCoB的机械性能与化学性能进一步提升，可用于磨损、腐蚀及高温氧化等工况。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

步骤1，配制Mo、Co、B、碳纤维的混合粉末：所述混合粉末质量比为Mo∶Co∶B∶碳纤维＝(0.50-0.65)∶(0.30-0.40)∶(0.02-0.08)∶(0.01-0.06)；

步骤2，对所述混合粉末进行球磨，使混合粉末进一步混合均匀；

步骤3，对球磨后的混合粉末进行干燥；

步骤4，对干燥后的混合粉末使用压型机压型，用于降低压型粉末内部缝隙，排出粉末内的空气；

步骤5，对于压型后的混合粉末在惰性气体保护下进行高温烧结，得到碳纤维增强MoCoB金属陶瓷。

2.如权利要求1所述的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤1中所述的Mo、Co、B、碳纤维的纯度均大于99％。

3.如权利要求1所述的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤1中所述的Mo、Co、B、碳纤维的粒径均为0.01-100μm。

4.如权利要求1所述的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述球磨为湿磨法，以无水乙醇和不锈钢球作为球磨介质，将步骤1配制好的混合粉末加入球磨罐中，依次加入无水乙醇和不锈钢球进行混合后球磨。

5.如权利要求4所述的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述混合粉末与所述球磨介质的质量比为不锈钢球∶混合粉末∶无水乙醇＝(4-8)∶(2-4)∶(1-2)，球磨时间为10-24小时。

6.如权利要求1所述的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤3中，干燥温度为80-160℃，干燥时间为8-10小时。

7.如权利要求1所述的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤4中，所述压型的压力为100-300MPa。

8.如权利要求1所述的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤5中，所述高温烧结包含升温过程和保温过程，升温至700-800℃后保温20-60min；再升温至1300℃后保温20-60min，烧结后冷却至室温。

9.如权利要求8所述的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷的制备方法，其特征在于：在所述升温过程中，1000℃以下时，升温速度为5-10℃/min，1000℃以上时，升温速率为1-5℃/min。

10.一种根据权利要求1-9中任意一项所述的方法制得的碳纤维增强MoCoB金属陶瓷，其特征在于：该碳纤维增强MoCoB金属陶瓷包含MoCoB相、Co相和碳纤维相。

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