CN115786758B - 一种Mo2FeB2-TiN基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Mo2FeB2‑TiN基复合材料的制备方法。所公开的方法包括：将Mo、FeB、Fe和TiN粉的混合粉体依次进行球磨、压制成型制得坯体，之后将所述坯体在真空碳管炉中进行烧结，制备Mo2FeB2‑TiN基复合材料；按质量百分比计：Mo为36.0％～50.0％，FeB为20.0％～34.0％，Fe为13.0％～31.0％，TiN为3.0％～13.0％。本发明添加的增强相种类较少，工艺简单，制成的复合材料包含Mo2FeB2硬质相、Fe基粘结相和TiN增强相，其具有良好的抗磨性以及减摩性。
Description
技术领域
本发明涉及Mo2FeB2基金属陶瓷相关技术，属于结构功能材料领域。具体涉及一种Mo2FeB2-TiN基复合材料的制备方法。
背景技术
硼化物基金属陶瓷由硼化物硬质相和金属粘结相组成，兼具二者的优点，既具有硼化物的高熔点、高硬度、耐高温和耐腐蚀等特性，也具有金属的高韧性、高强度以及可加工性等优点。其中，Mo2FeB2基金属陶瓷不仅拥有上述优点，而且其粘结相为Fe基粘结相，相比其他硼化物基金属陶瓷，其制造成本更低，与钢的冶金结合性也更为优良，被广泛用作钢材的覆层材料，提高其硬度和耐磨性。
目前制备的Mo2FeB2基金属陶瓷的硬度较高，耐磨性能良好，可用来制备钻头、铣刀、拉刀、滚刀等刀具，用来加工不锈钢、耐热钢等。但随着经济高速发展，加工任务量日益增加，对Mo2FeB2基金属陶瓷的耐磨性提出了更高的要求。为此，研究者们采用诸多方法来提高Mo2FeB2基金属陶瓷的耐磨性能。向其中添加第二增强相形成复相陶瓷基复合材料是最常用的方法之一。《一种多组元硬质相增强Mo2FeB2金属陶瓷材料及其制备方法》[ZL201410487427.9]专利中在原料中加入CeO粉、La2O3粉、WC粉、NbC粉、VC粉、TiC粉制备出多组元硬质相增强Mo2FeB2基金属陶瓷，改善了其硬度以及抗切入式磨损性能。但是该技术文案中增强相种类多，硬质相的形貌不易控制，也会降低复合材料的致密度以及韧性，制成的复合材料尽管表面硬度大，抗切入能力强，但是减摩性能较差(摩擦系数较大)，抗擦伤性能不足。在实际服役工况中，会使磨损量增大，降低材料服役寿命。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种Mo2FeB2-TiN基复合材料的制备方法。
为此，本发明所提供的制备方法包括：将Mo、FeB、Fe和TiN粉的混合粉体依次进行球磨、压制成型制得坯体，之后将所述坯体在真空碳管炉中进行烧结，制备Mo2FeB2-TiN基复合材料；
按质量百分比计：Mo为36.0％～50.0％，FeB为20.0％～34.0％，Fe为13.0％～31.0％，TiN为3.0％～13.0％。
可选的，所述烧结工艺为，将温度自室温以5～15℃/min的升温速率升至1240～1340℃，并保温0～60min，之后炉冷至室温。
进一步，所述Mo2FeB2-TiN基复合材料中包含三相：Mo2FeB2硬质相，Fe基粘结相，TiN增强相。所述Mo2FeB2-TiN基复合材料的硬度为88.9～91.1HRA，摩擦系数为0.56～0.64，质量磨损率为9.5×10-5～10.4×10-5g·m-1。
与现有技术相比，①本发明所添加的增强相种类较少，工艺简单，制成的复合材料包含Mo2FeB2硬质相、Fe基粘结相和TiN增强相；②本发明中制成的复合材料具有良好的抗磨性以及减摩性。
附图说明
图1为本发明实施例3中Mo2FeB2-TiN基复合材料的XRD图谱；
图2为本发明实施例3中Mo2FeB2-TiN基复合材料的显微组织照片。
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、保温时长是近似值，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、物料配比和实施例仅是示例性的，而并不意欲进行限制。具体方案中，本领域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、操作参数取值进行优化以实现本发明的目的。
本发明所述压制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。
本发明工艺中在真空碳管炉中进行烧结，本领域技术人员在本发明公开内容基础上，针对不同配方材料及本发明的效果，可以采用常规实验手段对具体烧结进行优化，以下实施例所采取的具体烧结工艺仅为一种具体示例，以对本发明的方案做解释说明，本发明的烧结工艺并不限于此。烧结工艺条件示例，将温度自室温以5～15℃/min的升温速率升至1240～1340℃，并保温0～60min，之后炉冷至室温。
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、Fe、B和TiB2粉均为市售的化学纯粉末试剂；球磨采用行星式球磨机(QM-3SP4)。但本发明并不限于这些具体设备。
本发明中使用HRS-150型洛氏硬度计测量Mo2FeB2-TiN基复合材料的硬度；使用MMG-500销盘式摩擦磨损试验机进行复合材料的干滑动摩擦磨损试验，对磨副为Si3N4陶瓷盘，主轴转速为100r·min-1，磨损半径为12.5mm，试验时间为120min，试验载荷为150N。
实施例1：
本实施例选用纯度不低于99.0％的Mo、FeB、Fe和TiN粉作为原料，按质量百分比为：Mo为50.0％，FeB为34.0％，Fe为13.0％，TiN为3.0％；
将混合粉末进行球磨、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：将温度自室温以5℃/min的升温速率升至1240℃，并保温0min，之后炉冷至室温。
本实施例中制备得到的Mo2FeB2-TiN基复合材料包含Mo2FeB2硬质相、Fe基粘结相和TiN增强相，其硬度为88.9HRA，摩擦系数为0.64，质量磨损率为10.4×10-5g·m-1。
实施例2：
本实施例选用纯度不低于99.0％的Mo、FeB、Fe和TiN粉作为原料，按质量百分比为：Mo为43.0％，FeB为27.0％，Fe为22.0％，TiN为8.0％；
将混合粉末进行球磨、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：将温度自室温以10℃/min的升温速率升至1290℃，并保温30min，之后炉冷至室温。
本实施例中制备得到的Mo2FeB2-TiN基复合材料包含Mo2FeB2硬质相、Fe基粘结相和TiN增强相，其硬度为90.1HRA，摩擦系数为0.59，质量磨损率为9.8×10-5g·m-1。
实施例3：
本实施例选用纯度不低于99.0％的Mo、FeB、Fe和TiN粉作为原料，按质量百分比为：Mo为36.0％，FeB为20.0％，Fe为31.0％，TiN为13.0％；
将混合粉末进行球磨、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：将温度自室温以15℃/min的升温速率升至1340℃，并保温60min，之后炉冷至室温。
本实施例中制备得到的Mo2FeB2-TiN基复合材料包含Mo2FeB2硬质相、Fe基粘结相和TiN增强相(XRD图谱见图1)，显微组织见图2；复合材料的硬度为91.1HRA，摩擦系数为0.56，质量磨损率为9.5×10-5g·m-1。
对比例：
该对比例与实施例3不同的是，原料中不包含TiN粉。
该对比例得到的Mo2FeB2基复合材料包含Mo2FeB2硬质相和Fe基粘结相，其硬度为87.4HRA，摩擦系数为0.71，质量磨损率为11.6×10-5g·m-1。
上述实施例及对照例复合材料测试性能如表1所示。
表1复合材料的力学性能
| 样品 | 硬度/HRA | 摩擦系数 | 质量磨损率/g·m-1 |
| 对比例 | 87.4 | 0.71 | 11.6×10-5 |
| 实施例1 | 88.9 | 0.64 | 10.4×10-5 |
| 实施例2 | 90.1 | 0.59 | 9.8×10-5 |
| 实施例3 | 91.1 | 0.56 | 9.5×10-5 |
从表1测试结果可以看出，与对比例相比，本发明制备得到的Mo2FeB2-TiN基复合材料的硬度增大，而摩擦系数和质量磨损率均减小。硬度最大达到91.1HRA，提升约3.7HRA，硬度提升效果显著；摩擦系数减小可达0.15，表明复合材料的减摩性得到改善；磨损失重减小可达18.1％，表明复合材料的耐磨性得到较大幅度提升。
Claims (4)
1.一种Mo2FeB2-TiN基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将Mo、FeB、Fe和TiN粉的混合粉体依次进行球磨、压制成型制得坯体，之后将所述坯体在真空碳管炉中进行烧结，制备Mo2FeB2-TiN基复合材料；
按质量百分比计：Mo为36.0％～50.0％，FeB为20.0％～34.0％，Fe为13.0％～31.0％，TiN为3.0％～13.0％。
2.根据权利要求1所述的Mo2FeB2-TiN基复合材料的制备方法，其特征在于，将温度自室温以5～15℃/min的升温速率升至1240～1340℃，并保温0～60min，之后炉冷至室温。
3.根据权利要求1所述的Mo2FeB2-TiN基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Mo2FeB2-TiN基复合材料中包含三相：Mo2FeB2硬质相，Fe基粘结相，TiN增强相。
4.根据权利要求1所述的Mo2FeB2-TiN基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Mo2FeB2-TiN基复合材料的硬度为88.9～91.1HRA，摩擦系数为0.56～0.64，质量磨损率为9.5×10-5～10.4×10-5g·m-1。
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| GR01 | Patent grant | ||
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