CN115786756B - 一种致密Mo2NiB2基金属陶瓷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种致密Mo2NiB2基金属陶瓷的制备方法。所公开的方法包括对Mo、Ni和B的混合粉体依次进行球磨、干燥、模压成型得到坯体，之后对所述坯体进行烧结，所述烧结工艺为：真空度为10‑3～10‑1Pa的条件下进行(1)‑(3)处理：(1)室温升到到T1后保温t1时长，且升温速率为5～15℃/min，T1为1150～1200℃，t1为10～80min；(2)T1降到T2后保温t2时长，且降温速率为1～10℃/min，T2为800～1140℃，t2为10～40h；(3)炉冷。本发明使用的原材料种类较少，无需添加昂贵的稀土元素，所用原料价格低廉且易得，适合工业上的应用和推广；采用新型烧结工艺通过充分的颗粒重排以及成分扩散，从而获得致密性优异的Mo2NiB2基金属陶瓷，其综合力学性能良好，可用于磨损、腐蚀、腐蚀磨损交互作用工况。
Description
技术领域
本发明涉及Mo2NiB2基金属陶瓷相关技术，具体涉及一种致密Mo2NiB2基金属陶瓷的制备方法。
背景技术
硼化物基金属陶瓷由于具备硬度高、耐磨性好以及耐腐蚀性强等优点，在耐磨材料和高温材料领域均有着广泛的应用。利用“反应硼化烧结”原理可以成功制备出三元硼化物基金属陶瓷，其硬质相并非作为原料直接加入，而是在烧结中通过固相原位反应生成，不仅降低了原料的成本，而且三元硼化物硬质相与金属粘结相的润湿性较好，陶瓷和粘结相界面的结合更牢固。其中，Mo2NiB2基金属陶瓷不仅拥有良好的力学性能、耐腐蚀、耐磨损、抗高温氧化等特性，而且其热膨胀系数与钢材较为相近，可用作钢的覆层材料，所以有着广泛的应用前景。
目前，制备Mo2NiB2基金属陶瓷最常用的方法是采用粉末冶金的方式，基本工艺流程可概括为：配料→混料→成型→烧结→成品。通过高温烧结使得原料粉体颗粒之间发生黏结，形成烧结颈，总孔隙体积减小，颗粒间距离缩短，从而提高烧结体的致密度和强度。对于Mo2NiB2基金属陶瓷而言，致密度是十分重要的性能指标，致密度越高，孔洞就越少，从而能够减少应力集中，提高力学性能。现有常规方法制备得到的Mo2NiB2基金属陶瓷的致密度约为97.41％，已基本满足常规服役工况需求，为了拓宽其可应用范围，适应于更加复杂多变的工况环境，需要进一步提升金属陶瓷的致密度。因此，研究如何获得致密的Mo2NiB2基金属陶瓷，提高其综合力学性能具有重要的理论意义和工程价值。现有技术主要通过添加稀土元素来提高材料力学性能，但是稀土元素属于战略资源，价格十分昂贵，而且添加Y元素对金属陶瓷的力学性能提高作用也较为有限。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种致密Mo2NiB2基金属陶瓷的制备方法。
为此，本发明所提供的方法包括：对Mo、Ni和B的混合粉体依次进行球磨、干燥、模压成型得到坯体，之后对所述坯体进行烧结，所述烧结工艺为：真空度为10-3～10-1Pa的条件下进行(1)-(3)处理：(1)室温升到到T1后保温t1时长，且升温速率为5～15℃/min，T1为1150～1200℃，t1为10～80min；(2)T1降到T2后保温t2时长，且降温速率为1～10℃/min，T2为800～1140℃，t2为10～40h；(3)炉冷。
可选的，按质量百分比计：Mo为49.0％～66.0％，Ni为30.0％～46.0％，B为4.0％～8.0％。
优选的，所述烧结在真空碳管炉中进行。
进一步，所述Mo2NiB2基金属陶瓷的致密度为98.23％～99.36％，硬度为86.9～88.8HRA，抗弯强度为1684.7～1939.6MPa。
与现有技术相比，①本发明使用的原材料种类较少，无需添加昂贵的稀土元素，所用原料价格低廉且易得，适合工业上的应用和推广；②采用新型烧结工艺，既降低了烧结温度，节省了能源，也通过烧结体内硬质相颗粒重排运动以及原料间的扩散实现了金属陶瓷的完全致密最终获得致密性优异的Mo2NiB2基金属陶瓷，其综合力学性能良好，可用于磨损、腐蚀、腐蚀磨损交互作用工况。
附图说明
图1为本发明实施例3中Mo2NiB2基金属陶瓷的XRD图谱；
图2为本发明实施例3中Mo2NiB2基金属陶瓷的断口形貌照片；
图3为对比例中Mo2NiB2基金属陶瓷的断口形貌照片。
具体实施方式
除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语及方法根据相关领域普通技术人员的认识理解或采用已有相关方法实现。还应理解，本文涉及的温度、浓度是近似值，用于说明目的。虽然与本文描述的方法和材料相似或等价的方法和材料可以用于本公开的实施，但下文描述了部分适合的方法和材料。本文提到的出版物、专利申请、专利和其他参考文献以引用方式部分纳入本文，如出现冲突，以本文为准。另外，所述材料、方法、溶液浓度和实施例仅是示例性的，而并不意欲进行限制。具体方案中，本领技术人员可以根据本发明所公开内容采用常规实验时段对方法中所涉及的物质配比、浓度、操作参数取值、反应物加入顺序进行优化以实现本发明的目的。
在烧结中，通过升高烧结温度的方法可以提高金属陶瓷的致密度。现有常规方法制备Mo2NiB2基金属陶瓷无法采用该方法的原因主要有两个：①烧结温度越高，能源损耗越大，而且烧结炉有其烧结温度上限；②提高烧结温度会使Mo2NiB2晶粒充分长大甚至异常长大，降低金属陶瓷的力学性能。因此，制备致密Mo2NiB2基金属陶瓷的关键难题是如何在较低烧结温度下获得致密的烧结体。经过发明人深入研究发现，Mo2NiB2基金属陶瓷在烧结时，金属粘结相与三元硼化物之间会形成共晶熔融体，硬质相可以通过颗粒重排实现烧结体的基本致密化，在更高温度下，颗粒通过溶解-析出机制发生粗化，并进一步致密化。因此，可以根据Mo2NiB2基金属陶瓷在烧结时的显微组织演变规律，通过改进烧结工艺参数，采用新型烧结工艺：首先，在液相温度之上的较低温度T1保温一定时间t1；其次，进行降温，在固相和液相温度区间中的某一温度T2保温一定时间t2。该工艺的优点为：T1和T2均远低于现有常规方法中的最终烧结温度，在T1保温使得烧结体通过颗粒重排达到基本致密，在T2保温使烧结体进一步通过原料间的扩散达到完全致密。
本发明所述模压成型的目的是使粉状原料初步致密化，所制得的坯体形状与大小取决于模具形状。现有陶瓷领域所用模具如容积尺寸大于3mm*3mm的模具均适用于本发明。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。本发明实施例中所用原材料Mo，Ni和B粉均为市售的化学纯粉末试剂；利用行星式球磨机(QM-3SP4)对其进行球磨，之后利用旋转蒸发仪(QE-2000)对混合粉末进行烘干，再利用不锈钢模具进行双向压制制成坯体，放入真空碳管炉(ZT-25)中进行烧结。本发明并不限于这些设备。
本发明中采用阿基米德排水法测试Mo2NiB2基金属陶瓷的致密度；使用HRS-150型洛氏硬度计测量Mo2NiB2基金属陶瓷的硬度；参考国标GB/T6569-2006，采用三点弯曲试验法对Mo2NiB2基金属陶瓷试样的抗弯强度进行测试。
实施例1：
选用纯度不低于99.0％的Mo，Ni和B粉作为原料，按重量百分比为：Mo：49.0％，Ni：43.0％，B：8.0％；将混合粉末进行球磨，之后进行烘干和压坯制成圆柱状(直径44mm，高度8～9mm)坯体；随后将坯体放入真空碳管炉中进行烧结，烧结工艺参数为：室温到T1的升温速率为5℃/min，T1为1150℃，t1为10min，T1到T2的降温速率为1℃/min，T2为800℃，t2为10h，之后炉冷；烧结过程中真空度为10-3Pa。
本实施例中致密Mo2NiB2基金属陶瓷制备方法简单，成本低廉。得到的金属陶瓷显微组织和力学性能分别为：致密度为98.23％，硬度为86.9HRA，抗弯强度为1684.7MPa。
实施例2：
选用纯度不低于99.0％的Mo，Ni和B粉作为原料，按重量百分比为：Mo：58.0％，Ni：36.0％，B：6.0％；将混合粉末进行球磨，之后进行烘干和压坯制成圆柱状(直径44mm，高度8～9mm)坯体；随后将坯体放入真空碳管炉中进行烧结，烧结工艺参数为：室温到T1的升温速率为10℃/min，T1为1180℃，t1为40min，T1到T2的降温速率为5℃/min，T2为1000℃，t2为20h，之后炉冷；烧结过程中真空度为10-1Pa。
本实施例中致密Mo2NiB2基金属陶瓷制备方法简单，成本低廉。得到的金属陶瓷显微组织和力学性能分别为：致密度为98.90％，硬度为87.6HRA，抗弯强度为1794.3MPa。
实施例3：
选用纯度不低于99.0％的Mo，Ni和B粉作为原料，按重量百分比为：Mo：66.0％，Ni：30.0％，B：4.0％；将混合粉末进行球磨，之后进行烘干和压坯制成圆柱状(直径44mm，高度8～9mm)坯体；随后将坯体放入真空碳管炉中进行烧结，烧结工艺参数为：室温到T1的升温速率为15℃/min，T1为1200℃，t1为80min，T1到T2的降温速率为10℃/min，T2为1140℃，t2为40h，之后炉冷；烧结过程中真空度为10-2Pa。
本实施例中致密Mo2NiB2基金属陶瓷制备方法简单，成本低廉。得到的金属陶瓷包含Mo2NiB2硬质相和Ni粘结相(XRD图谱见图1)；显微组织断口形貌见图2；力学性能分别为：致密度为99.36％，硬度为88.8HRA，抗弯强度为1939.6MPa。
对比例1：
该对比例选用与实施例3相同的原料成分，不同之处在于烧结工艺为1200℃下直接保温40小时80min。所得产品致密性差、脆性极高。
对比例2：
该对比例选用与实施例3相同的原料成分，不同之处在于烧结工艺，其采用现有常规的烧结工艺，具体工艺参数为：室温到最高烧结温度的升温速率为15℃/min，最高烧结温度为1250℃，保温时间为40min，保温之后直接炉冷。
该对比例得到的Mo2NiB2基金属陶瓷显微组织和力学性能分别为：致密度为97.41％，硬度为86.4HRA，抗弯强度为1629.4MPa，断口形貌见图3。
上述实施例及对照例Mo2NiB2基金属陶瓷测试性能如表1所示。
表1 Mo2NiB2基金属陶瓷显微组织和力学性能
| 样品 | 致密度 | 硬度/HRA | 抗弯强度/MPa |
| 对比例2 | 97.41％ | 86.4 | 1629.4 |
| 实施例1 | 98.23％ | 86.9 | 1684.7 |
| 实施例2 | 98.90％ | 87.6 | 1794.3 |
| 实施例3 | 99.36％ | 88.8 | 1939.6 |
从图2与图3中Mo2NiB2基金属陶瓷的断口形貌可以看出，与现有常规烧结工艺相比，采用新型烧结工艺制备得到的Mo2NiB2基金属陶瓷中孔洞的数量减少，表明致密度进一步提高，同时穿晶断裂的数量增加，会在承载时消耗更多的能量，提高金属陶瓷的抗弯强度。从表1测试结果可以看出，与对比例2相比，采用新型烧结工艺制备得到的Mo2NiB2基金属陶瓷的致密度、硬度和抗弯强度均增大，抗弯强度最高提升约19.0％，综合力学性能得到较大幅度提升。
Claims (3)
1.一种致密Mo2NiB2基金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括：对Mo、Ni和B的混合粉体依次进行球磨、干燥、模压成型得到坯体，之后对所述坯体进行烧结，所述烧结工艺为：真空度为10-3～10-1Pa的条件下进行(1)-(3)处理：(1)室温升到T1后保温t1时长，且升温速率为5～15℃/min，T1为1150～1200℃，t1为10～80min；(2)T1降到T2后保温t2时长，且降温速率为1～10℃/min，T2为800～1140℃，t2为10～40h；(3)炉冷；
按质量百分比计：Mo为49.0％～66.0％，Ni为30.0％～46.0％，B为4.0％～8.0％。
2.根据权利要求1所述的致密Mo2NiB2基金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述烧结在真空碳管炉中进行。
3.根据权利要求1所述的致密Mo2NiB2基金属陶瓷的制备方法，其特征在于，Mo2NiB2基金属陶瓷的致密度为98.23％～99.36％，硬度为86.9～88.8HRA，抗弯强度为1684.7～1939.6Mpa。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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