CN1309855C

CN1309855C - 一种用粉末原料制备金属陶瓷的方法

Info

Publication number: CN1309855C
Application number: CNB2004100092300A
Authority: CN
Inventors: 林涛; 崔凤娥; 郭志猛; 高峰; 隋延安; 吴斌; 殷声
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: CN1594625A

Abstract

本发明提供了一种用粉末原料制备金属陶瓷的方法，包括如下步骤：(1)将钛粉与石墨粉按摩尔比1∶1混合后，通过燃烧合成制成多孔TiC预成形体；(2)在离心力作用下将通过燃烧合成得到的液态金属渗入TiC预成形体中制成金属陶瓷，其中产生的液态金属的体积比TiC预成形体中的孔隙体积多3-5%。本发明的优点在于工艺简单，材料致密，可以直接成形工件，制造成本低。

Description

一种用粉末原料制备金属陶瓷的方法

技术领域

本发明属于金属陶瓷制备技术领域，特别是提供了一种用粉末原料制备金属陶瓷的方法，更具体地，涉及一种利用燃烧合成技术将钛粉与石墨粉制成多孔TiC预成形体，然后在离心力作用下将通过铝热剂燃烧合成得到的液态金属渗入多孔TiC预成形体制成金属陶瓷的方法。

背景技术

金属陶瓷是将陶瓷相与金属相复合在一起形成的一种复合材料。它兼有陶瓷相的高硬度，以及金属相的高强度和韧性。

金属陶瓷的制造，通常采用粉末冶金技术。即，首先分别获得陶瓷粉和金属粉，再将二者按比例混合，接着进行成形和烧结。对于某些材料体系，再经适当的热处理或其它的加工得到最终的制品。粉末冶金技术虽然在成分调节以及成形方面有明显的优势，但烧结过程难以得到无孔隙的全致密材料，从而往往达不到预期的材料性能。而粉末冶金技术中有一项熔渗工艺，即通过一次烧结得到有孔隙的坯体，再通过二次烧结将一种金属或合金熔化后渗入预烧结坯体的孔隙中获得致密的制品。熔渗法也是制造金属陶瓷的一种方法。例如，将TiC和少量的镍粉经冷压成形后，再经真空烧结得到预烧结的骨架。然后将预烧结的骨架置于模具中，使用Ni-Cr合金或Co-Cr-Mo合金，在其熔点以上的温度下，借助毛细管力将熔化的合金渗入预烧结的骨架中。

燃烧合成技术(自蔓延高温合成技术)的出现，为金属陶瓷的制造提供了一种新的方法。陶瓷相是原位反应合成的，并且利用反应放出的热量能促进烧结致密化过程或者同时加压实现致密化。中国专利92114875.5就披露了这样一种方法，其中通过SHS合成-热压或SHS合成-粉碎-热压或SHS合成-粉碎-成型-烧结工艺，制备韧性好、强度高、组织均匀，而成本低的Al₂O₃-TiC基金属陶瓷。但制品的形状和尺寸受到热压工艺本身的限制。

在有些磨损的应用中，工件仅需要表面有一层耐磨层就能达到很好的效果。表面耐磨层可以通过渗碳、表面热处理、堆焊、激光熔覆、离子注入等方法获得。用燃烧合成法也可获得表面耐磨层。中国专利95103970.9涉及一种耐磨陶瓷熔覆钢板的制备方法，其特征在于在Al+CrO₃+C的物料中同时添加一种卤盐添加剂和至少一种金属氧化物添加剂，采用层叠配料方式和预热加压工艺，在无离心重力作用下进行铝热反应烧结，从而在钢板或平面型钢制工件表面形成2～3mm厚的碳化铬金属陶瓷熔覆层。但此方法中使用了5-15MPa的高压容器，设备造价高，工件制造成本高。中国专利01133784.2提供一种具有原位内生表面金属陶瓷层的铸件，其母体为钢或铁，其中所含的陶瓷颗粒的体积百分数＞40％，且厚度可在0.5～12毫米变化，其制备方法是将原位内生组分和填料组分的相应粉料经还原处理后制成压坯，并经预烧结脱胶处理后固定在铸型表面，浇入高温钢水或铁水，激发原位内生反应，利用反应放出的热量促进实现压坯烧结致密化和与母体牢固的冶金结合。这种方法无法得到纯粹的金属陶瓷制品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用粉末原料制备金属陶瓷的方法，提高了材料致密度，并降低了原材料成本。

本发明包括如下工艺步骤：

(1)将钛粉与石墨粉按摩尔比1∶1混合后，通过燃烧合成制成多孔TiC预成形体；

(2)在离心力作用下将通过燃烧合成得到的液态金属渗入TiC预成形体中制成金属陶瓷，其中产生的液态金属的体积比TiC预成形体中的孔隙体积多3-5％。

(3)在Ti-C混合粉中另外加入铁粉，加入量为0～50质量％。

(4)将Fe₂O₃和Fe₃O₄中的至少一种粉末与铝粉混合成的铝热剂置于离心机中的TiC预成形体上方，离心机旋转后引燃铝热剂的燃烧反应，反应产生的熔融铁渗入TiC预成形体中，从而制成金属陶瓷，铝热剂中铝粉与Fe₂O₃或Fe₃O₄粉的比例满足下面的化学反应式：

(5)在铝热剂粉中加入铁粉，铁粉加入量为铝热剂量的0～35质量％。

当利用燃烧合成技术制备TiC预成形体时，在混合粉中加入铁粉，加入量不大于50％。这有助于增加预成形体的强度，对预成形体进行适当的加工。也可以充分利用TiC合成时放出的热量，减小下一步骤中渗入的金属量。

在渗入液态金属的步骤中，将Fe₂O₃和Fe₃O₄中的至少一种粉末与铝粉的混合得到的铝热剂置于离心机中的TiC预成形体上方，离心机旋转后引燃铝热剂的燃烧反应，反应产生的熔融铁渗入TiC预成形体中，从而制成金属陶瓷，铝热剂中铝粉与Fe₂O₃和Fe₃O₄粉的比例满足下面的化学反应式：，。通过燃烧合成得到的金属液温度高，粘度小，易于渗入。并且在离心力的作用下，强制金属液进入TiC预成形体中。熔渗效果优于常规的烧结熔渗法。

另外，在上述铝热剂中可以加入不大于35％的铁粉。从而充分利用铝热剂反应放出的热量，并且可以降低原料成本。

本发明的优点在于：工艺简单，材料接近全致密。并且可以直接成形环形工件或其它工件。熔渗效果好、原料成本低。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面将结合如下附图以及具体实施例详细说明本发明。

图1a为本发明在离心机型筒中合成TiC的第一步骤示意图；图1b为本发明在离心机型筒中在合成的TiC上加入铝热剂的第二步骤示意图；图1c为本发明最终合成结束的示意图。图中，型筒1，Ti+C混合粉2，点火钨丝3，合成后TiC4，铝热剂粉末5，合成后的金属陶瓷TiC-Fe6，铝热反应产物氧化铝7。

图2为本发明在径向离心机中制备金属陶瓷的第二步骤示意图。

在燃烧合成(或自蔓延高温合成)领域，Ti-C体系是研究较多的体系之一。Ti-C体系的燃烧合成属于固相火焰燃烧合成，即燃烧合成前后及燃烧过程中，物料均保持固态。Ti-C体系的起始物料均为相应的粉末，混合均匀后松散态或制成坯体均易于点燃。燃烧合成后的物料状态是多孔的，颗粒之间有轻微的烧结，很容易破碎成TiC粉末。本发明就是利用这种多孔的、颗粒之间轻微烧结的物料做为坯体，用于进一步制成金属陶瓷。

另外，由于Ti-C体系燃烧时放出大量的热量，可以在原料中混入不大于50％的铁粉。铁粉加入量过多，混合粉将不能发生燃烧合成。铁粉在反应期间熔化，将TiC粘结在一起，可以适当提高反应后预成形体的强度，从而可以对预成形体进行加工，得到所需的形状。也可以根据需要加入其它种类的粉末，得到不同成分的金属粘结相。

虽然常规的熔渗工艺可以用于制造金属陶瓷。但对于以铁作为粘结相，需要1600℃以上的气氛保护加热炉或真空炉。这种设备造价高，而且熔渗时间也长。燃烧合成过程可以得到高温熔体，特别是铝热剂体系，例如，燃烧合成的绝热燃烧温度高达3600K，燃烧后产物全部熔化。在离心力的作用下，由于产物的密度不同，铁与氧化铝产生相分离。密度大的铁分离到距离旋转中心较远一侧，而密度较小的氧化铝处于离旋转中心较近一侧。这样，将先前燃烧合成的TiC坯体上放置铝热剂，经过上述铝热反应及物相分离过程后，熔化的金属即渗入TiC坯体中，形成金属为粘结相的金属陶瓷。考虑到金属液的损失，所用的铝热剂量应使其反应产生的金属量比TiC预成形体中的孔隙多3-5％。TiC预成形体的孔隙度可以事先利用排水法测量。

另外，也可以在混合料中加入铁粉，这样，可以充分利用铝热剂的反应放热，并可降低制造成本。铁粉的加入量不大于35％。加入量过多，金属液的温度低，粘度大，不利于渗入过程。

具体实施方式

实施例1

将钛粉与石墨粉按摩尔比1∶1混合均匀，装入离心机型筒(φ65×80mm)中65g，启动离心机后，用钨丝点燃钛与碳的燃烧反应，如图1a所示。冷却到室温后，装入铝粉与三氧化二铁混合成的铝热剂(Al与Fe₂O₃的摩尔比为2∶1)220g，再次启动离心机达到上述转速，同样用钨丝点燃混合粉的燃烧反应，如图1b所示。冷却到室温后，从型筒中取出，去除内表面的氧化铝层，得到碳化钛为陶瓷相、铁为粘结相的金属陶瓷环。或者氧化铝层也可不去除，应用于内外表面都经受磨损的工况。

实施例2

第二步骤中混合粉的总量为166g，其中铝热剂为108g(65％)，铁粉58g(35％)。其它条件与实施例1相同，同样可以得到如实施例1的金属陶瓷环。

实施例3

将钛粉与石墨粉按摩尔比1∶1配料，再按质量比(Ti+C)∶Fe＝1∶1混入铁粉，称10g压成直径20mm圆柱坯，用钨丝通电点燃合成TiC预成形体。冷却后，如图2所示，将TiC预成形体装入径向离心机模具中，再在模具中装入铝粉与四氧化三铁粉混合的铝热剂(Al与Fe₃O₄的摩尔比为8∶3)120g。启动离心机后，用钨丝点燃上述铝热剂。冷却到室温后，从模具中取出，去除表面的氧化铝层，得到碳化钛为陶瓷相、铁为粘结相的金属陶瓷。

Claims

1、一种用粉末原料制备金属陶瓷的方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

a、将钛粉与石墨粉按摩尔比1∶1混合后，通过燃烧合成制成多孔TiC预成形体；

b、将Fe₂O₃和Fe₃O₄中的至少一种粉末与铝粉混合成的铝热剂置于离心机中的TiC预成形体上方，离心机旋转后引燃铝热剂的燃烧反应，反应产生的熔融铁渗入TiC预成形体中，从而制成金属陶瓷，铝热剂中铝粉与Fe₂O₃或Fe₃O₄粉的比例满足下面的化学反应式：

其中产生的液态金属的体积比TiC预成形体中的孔隙体积多3-5％。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在Ti-C混合粉中加入铁粉，加入量为50质量％。

3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在铝热剂粉中加入铁粉，铁粉加入量为铝热剂量的35质量％。