專(zhuān)利名稱(chēng)：：含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于金屬陶瓷材料，具體涉及一種含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
：Ti(C,N)基金屬陶瓷是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種新型顆粒增強(qiáng)型復(fù)合金材料，與WC基硬質(zhì)合金相比，其高溫紅硬性、耐磨性、剛性和抗粘附性好，且密度低，主要原料豐富，是制作刀具、拉絲模、熱擠壓模、發(fā)動(dòng)機(jī)熱端高溫部件及石化工業(yè)中高溫耐磨零部件的理想工程材料。但是，Ti(C,N)基金屬陶瓷的強(qiáng)韌性對(duì)其化學(xué)成分和顯微組織結(jié)構(gòu)十分敏感，往往難以同時(shí)具有高硬度和高強(qiáng)韌性，這制約了其在工模具等領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是物質(zhì)資源匱乏的日本，高度重視Ti(C，N)基金屬陶瓷的基礎(chǔ)研究及其產(chǎn)品研發(fā)。為了提高Ti(C，N)基金屬陶瓷的綜合性能水平尤其是強(qiáng)韌性水平，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用Ni、Co或者Ni-Co作為粘結(jié)劑。這些Ti(C,N)基金屬陶瓷已廣泛用于制作車(chē)刀、面銑刀、鉆頭、齒輪滾銑刀等刀具與拉絲模、壓制模等模具。然而，含Ni、Co或者Ni-Co粘結(jié)劑的Ti(C，N)基金屬陶瓷，因高溫抗氧化性不理想，組織性能不穩(wěn)定，因而由其制作的刀具進(jìn)行高速高效切削時(shí)使用壽命短(切削溫度可達(dá)100(TC)，由其制作的熱擠壓模擠壓銅型材時(shí)使用壽命也短(擠壓溫度為78085(TC)，見(jiàn)Oxidationbehavioroftitaniumcarbonitridebasedmaterials,CorrosionScience,2002,44:1967—1982;OxidationofTi(C,N)-basedceramicsexposedat1373Kinair,JournalofAmericanCeramicSociety,2000,83(3):672—674?？梢?jiàn)，Ti(C,N)基金屬陶瓷要用于制作高性能高速高效切削刀具和銅型材熱擠壓模，必須提高其高溫抗氧化性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種含Ni^r粘結(jié)劑的金屬陶瓷及其制備方法，采用Ni-Cr合金作為該金屬陶瓷的粘結(jié)劑，目的在于使該金屬陶瓷的高溫抗氧化性得到改善，適合制作高性能高速高效切削刀具和銅型材熱擠壓模具。本發(fā)明的一種含Ni"Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末，經(jīng)球磨混料、模壓成型、真空脫脂和真空燒結(jié)制成，最終燒結(jié)體中的硬質(zhì)相為T(mén)i(C,N)固溶體，粘結(jié)相為Ni-Cr固溶體，其組成成分重量百分比為33《Ti《49，4《W《9，ll《Mo《17，12《Ni《34,4《Cr《10.5，7.5《C《11，2《N《3，其中重量百分比為0.41.0°/0的Cr來(lái)自于Cr3C2粉末，其余Cr來(lái)自于Cr粉末。所述的含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷，其特征在于所述球磨混料步驟中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一種，其中元素Nb、Ta和Al占整個(gè)陶瓷材料重量百分比為0《Nb《2，0《Ta《10，0《A1《1，且Nb、Ta和Al三者總含量大于O。在本發(fā)明的金屬陶瓷中，TiC的作用是作為硬質(zhì)相，保證該金屬陶瓷具有高的硬度和好的耐磨性；TiN的作用是抑制硬質(zhì)相晶粒長(zhǎng)大，提高該金屬陶瓷的強(qiáng)韌性；Mo和WC的作用是改善Ni-Cr粘結(jié)劑對(duì)硬質(zhì)相顆粒的潤(rùn)濕性，并控制環(huán)形相厚度，提高該金屬陶瓷的強(qiáng)韌性；Cr3C2的作用是改善硬質(zhì)相的塑性，提高該金屬陶瓷的強(qiáng)度；Ni-Cr粘結(jié)劑的作用是保證該金屬陶瓷具有高強(qiáng)韌性的同時(shí)，還具有好的高溫抗氧化性；石墨的作用一方面是防止該金屬陶瓷在真空燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生脫碳，另一方面是其在真空燒結(jié)過(guò)程中與氧反應(yīng)，降低該金屬陶瓷中的氧含量，以提高相界面的潤(rùn)濕性。在該金屬陶瓷中，添加NbC和TaC的作用是提高該金屬陶瓷的高溫剛性、紅硬性、抗氧化性和抗熱震性；添加A1的作用是提高該金屬陶瓷的高溫抗氧化性。本發(fā)明的金屬陶瓷的制備方法，包括下述步驟(1)球磨混料將能滿(mǎn)足所述組成成分重量百分比的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末進(jìn)行混合，采用球磨機(jī)進(jìn)行濕式球磨而獲得成分均勻的混合粉體，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，轉(zhuǎn)速150300rpm，球磨時(shí)間2448h;(2)模壓成型添加重量百分比為38%的聚乙烯醇(PVA)，采用粉末制品壓制機(jī)進(jìn)行模壓成型，壓制壓力150300MPa;(3)真空脫脂采用真空熱處理爐進(jìn)行真空脫脂，真空度小于5Pa，脫脂溫度200400°C,保溫時(shí)間48h;(4)真空燒結(jié)采用真空燒結(jié)爐進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度小于lxlO"Pa，燒結(jié)溫度14101460°C，保溫時(shí)間0.751.5h。所述的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述球磨混料步驟中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一種，其中元素Nb、Ta和Al占整個(gè)陶瓷材料重量百分比為0《Nb《2，0《Ta《10，0《A1《1，且Nb、Ta和Al三者總含量大于0。與Ni、Co禾nNi-Co合金相比，含1030%0(重量百分比)的Ni-Cr合金在高溫具有好的抗氧化性、高的抗蠕變極限和一定的耐蝕性，已廣泛用于制作熱處理設(shè)備中的電加熱元件、化工領(lǐng)域中的耐熱耐蝕零部件等。此外，這類(lèi)Ni-Cr合金也廣泛用于制作耐熱耐蝕涂層。為此，本發(fā)明以Ni~Cr合金作為粘結(jié)劑制備Ti(C,N)基金屬陶瓷，使其在保持此類(lèi)材料原有性能優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，其高溫抗氧化性得到改善。本發(fā)明的金屬陶瓷，室溫硬度^87HRA，抗彎強(qiáng)度》1700MPa，在高溫氧化環(huán)境中具有好的剛性、紅硬性、耐磨性、抗氧化性、抗熱震性和抗粘附性，與金屬材料之間的摩擦系數(shù)低，除可用于制作普通切削刀具、拉絲模和壓制模外，還可用于制作高性能高速高效切削刀具、銅型材熱擠壓模和其它耐熱耐蝕耐磨零部件。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明所用TiC、TiN、Mo、WC、Cr3C2、Ni、Cr、石墨、NbC、Ta和A1粉末的平均粒度、氧含量和純度如表l所示。表1粉末的平均粒度、氧含量和純度<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>石墨<3099.85NbC2.370.24TaC2.740.097Al1650.1499.0如表2所示，作為對(duì)比的A1、A2、A3、A4和A5五種配方的含Ni粘結(jié)劑的金屬陶瓷，選用表1中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni和石墨粉末作為原料；本發(fā)明的Bl、B2、B3、B4和B5共五種配方的含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷，選用表1中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末作為原料。這十種金屬陶瓷的具體制備過(guò)程如下首先根據(jù)表2中所示的成分進(jìn)行配料，然后根據(jù)表3中所示的球磨混料工藝進(jìn)行球磨混料獲得成分均勻的混合粉末，接著添加適量聚乙烯醇根據(jù)表3中所示的模壓成型工藝進(jìn)行模壓成型，最后根據(jù)表3中所示的真空脫脂和真空燒結(jié)工藝進(jìn)行真空脫脂和真空燒結(jié)，獲得致密的燒結(jié)體，真空脫脂和真空燒結(jié)時(shí)的真空度分別小于5Pa和lxlO"Pa。這十種金屬陶瓷的室溫硬度、抗彎強(qiáng)度與在IOO(TC大氣中氧化100h后的質(zhì)量增幅及尺寸增幅(尺寸增幅為長(zhǎng)、寬和高三個(gè)方向尺寸之和的平均值)如表4所示。表2A組和B組金屬陶瓷的成分(重量百分比)配方序號(hào)TiWMoNiCrCNAl49.004.0017.0015.130.8711.003.00A233.004.5011.0041.480.527.502.00A333.505.0011.0039.980.528.002.00A439.509.0011.0027.961.049.002.50A541.007.5013.5025.010.699.602.70Bl49.004.0017.0012.004.0011.003.00B233.004.5011.0034.008.007.502.00B333.505.0011.0030.0010.508.002.00B439.509.0011.0022.206.809.002.50B541.007.5013.5019.506.209.602.70注表中A組配方、B組配方分別是含Ni粘結(jié)劑、含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷，且A1、A2、A3、A4和A5五種配方的Ni粘結(jié)劑含量分別與Bl、B2、B3、B4和B5五種配方中的Ni-Cr粘結(jié)劑含量是一致的(表中Bl至B5種配方中的Cr含量包括Cr3C2組元中的Cr含量)。表3A組和B組金屬陶瓷的工藝參數(shù)酉己球磨混料模壓成型真空脫脂真空燒結(jié)方序號(hào)轉(zhuǎn)速Crpm)球磨時(shí)間(h)PVA含量(重量百分比)成型壓力(MPa)脫脂溫度(。c)保溫時(shí)間(h)燒結(jié)溫度rc)保溫時(shí)間(h)Al300248150400614601.5A2150483300200814100.75A320040250400414100.75A4250366200300614301.0A528030180300814301.0Bl300248150400614601.5B2150483300200814100.75B320040250400414100.75B4250366200300614301.0B5280307180300814301.0表4A組和B組金屬陶瓷的室溫力學(xué)性能與在100(TC大氣中氧化100h后<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實(shí)施例2如表5所示，本發(fā)明的Cl、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10共十種配方的含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷，選用表l中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr、石墨、NbC、TaC和Al粉末作為原料。這十種金屬陶瓷的具體制備過(guò)程如下首先根據(jù)表5中所示的成分進(jìn)行配料，然后根據(jù)表6中所示的球磨混料工藝進(jìn)行球磨混料獲得成分均勻的混合粉末，接著添加適量的聚乙烯醇根據(jù)表6中所示的模壓成型工藝進(jìn)行模壓成型，最后根據(jù)表6中的真空脫脂和真空燒結(jié)工藝進(jìn)行真空脫脂和真空燒結(jié)，獲得致密的燒結(jié)體，真空脫脂和真空燒結(jié)時(shí)的真空度分別小于5Pa和lxlO"Pa。這十種含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷的室溫硬度、抗彎強(qiáng)度與在100(TC大氣中氧化100h后的質(zhì)量增幅與尺寸增幅(尺寸增幅為長(zhǎng)、寬和高三個(gè)方向尺寸增幅之和的平均值)如表7所示。表5C組金屬陶瓷的成分(重量百分比)配方序號(hào)TiWMoNiCrCNNbTaAlCl49.007.5013.2012.004.0011.003.000.30C247.005.0014.0014.104.2010.802.902.00C334.505.5011.0022.006.508.302.2010.00C433.004.0011.0034.006.007.502.001.501.00C533.504.0011.0029.0010.507.602.101.500.80C639.506.0012.0021.005.508.002.505.000.50C737.009.0011.0020.507.008.802.301.003.000.40C836.504.5017.0017.806.308.702.201,505.200.30C945.005.0016.5014.504.5010.002.801.000.500.20C1042.005.0013.5015.705.509.802.701.004.500.30_表6C組金屬陶瓷的工藝參數(shù)_配球磨混料_模壓成型_真空脫脂_真空燒結(jié)方球磨PVA含帛轉(zhuǎn)速成型壓脫脂溫保溫時(shí)燒結(jié)溫保溫時(shí)^時(shí)間量(重量號(hào)(rpm)(h)百分比)力(MPa)度(°c)1間(h)度(°c)間(h:Cl300248150400814601.5C2300248150400814601.5C3150483300200614100.75C420040250400414100.75C5200405250300614100.75C6250366200300614301.0C7250366200300614301.0C8250366200300614301.0C9280307180400814501.25C10280307180400814501.25表7C組金屬陶瓷的室溫力學(xué)性能與在100(TC大氣中氧化100h后的質(zhì)量增幅及尺寸增幅室溫力學(xué)性能在100(TC大氣中氧化100h配方序號(hào)硬度抗彎強(qiáng)度質(zhì)量增幅尺寸增幅.(HRA)(MPa)(mg'cm—2)(mm)Cl92.7174535.2520.40C292.4181032.1750.44C389.1232111.8230.26C488.125149.4530.10C588.4248310.0720.08C690.7231213.0130.24C790.4234518.4570.20C889.8245815.6430.16C991.8195432.8950.32C1091.5199627.4680.28權(quán)利要求1.一種含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末，經(jīng)球磨混料、模壓成型、真空脫脂和真空燒結(jié)制成，最終燒結(jié)體中的硬質(zhì)相為T(mén)i(C，N)固溶體，粘結(jié)相為Ni-Cr固溶體，其組成成分重量百分比為33≤Ti≤49，4≤W≤9，11≤Mo≤17，12≤Ni≤34，4≤Cr≤10.5，7.5≤C≤11，2≤N≤3，其中重量百分比為0.4～1.0％的Cr來(lái)自于Cr3C2粉末，其余Cr來(lái)自于Cr粉末。2.如權(quán)利要求l所述的含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷，其特征在于所述球磨混料步驟中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一種，其中元素Nb、Ta和Al占整個(gè)陶瓷材料重量百分比為0《Nb《2，0《Ta《10，0《A1《1，且Nb、Ta和Al三者總含量大于O。3.權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷的制備方法，包括下述步驟(1)球磨混料將能滿(mǎn)足所述組成成分重量百分比的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末進(jìn)行混合，采用球磨機(jī)進(jìn)行濕式球磨而獲得成分均勻的混合粉體，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，轉(zhuǎn)速150300rpm，球磨時(shí)間2448h;(2)模壓成型添加重量百分比為38%的聚乙烯醇，采用粉末制品壓制機(jī)進(jìn)行模壓成型，壓制壓力150300MPa;(3)真空脫脂:采用真空熱處理爐進(jìn)行真空脫脂，真空度小于5Pa，脫脂溫度200400°C，保溫時(shí)間48h;(4)真空燒結(jié)采用真空燒結(jié)爐進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度小于lxlO"Pa，燒結(jié)溫度14101460°C，保溫時(shí)間0.751.5h。4.如權(quán)利要求3所述的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述的球磨混料步驟中添加NbC、TaC和Al三種粉*末中的至少一種，其中元素Nb、Ta和Al占整個(gè)陶瓷材料重量百分比為0《Nb《2，0《Ta《10，0《A1《1，且Nb、Ta和A1三者總含量大于0。全文摘要含Ni-Cr粘結(jié)劑的金屬陶瓷及其制備方法，屬于金屬陶瓷材料，目的在于使該金屬陶瓷的高溫抗氧化性得到改善。本發(fā)明的金屬陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr₃C₂、Ni、Cr和石墨粉末，經(jīng)球磨混料、模壓成型、真空脫脂和真空燒結(jié)制成，其組成成分重量百分比為33≤Ti≤49，4≤W≤9，11≤Mo≤17，12≤Ni≤34，4≤Cr≤10.5，7.5≤C≤11，2≤N≤3。本發(fā)明的方法，包括球磨混料、模壓成型、真空脫脂和真空燒結(jié)步驟。本發(fā)明的金屬陶瓷，在高溫環(huán)境中具有好的剛性、紅硬性、耐磨性、抗氧化性、抗熱震性和抗粘附性，摩擦系數(shù)低，可用于制作高速高效切削刀具、銅型材熱擠壓模和耐熱耐蝕耐磨零部件。文檔編號(hào)C22C1/05GK101435047SQ20081023690公開(kāi)日2009年5月20日申請(qǐng)日期2008年12月19日優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日發(fā)明者姚振華,孫文禮,俊李,楊青青,熊惟皓,峻瞿申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)