本發(fā)明屬于材料化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種MoFeB基金屬陶瓷涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
鋼鐵工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，而模具被稱為是工業(yè)發(fā)展的“基石”。隨著科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展和模具工作環(huán)境的惡化，單純的金屬材料已經(jīng)不能滿足模具行業(yè)的要求。模具的失效形式一般為塑性變形、磨損、斷裂或開裂、金屬疲勞及腐蝕等等。而其中磨損是模具失效損壞的主要形式。而從經(jīng)濟(jì)效益以及能源資源利用率上考慮模具表面改性和表面強(qiáng)化是提高模具使用性能以及延長(zhǎng)模具使用壽命的不二選擇。
三元硼化物基金屬陶瓷是一種性能優(yōu)良的新型材料,有很大的發(fā)展?jié)摿?。三元硼化物基金屬陶瓷具有極高的強(qiáng)度、硬度、斷裂強(qiáng)度以及優(yōu)良的耐熱性能和耐腐蝕性能，因此經(jīng)常應(yīng)用于注塑機(jī)械零件、銅的熱擠壓模具等高磨損的環(huán)境中。其中Mo2FeB2基金屬陶瓷既保持了陶瓷的高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和化學(xué)穩(wěn)定性等特性，又具有較好的金屬韌性和可塑性，而且還可以與鋼基體可以產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合，因此是模具表面改性的合適的材料選擇。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為進(jìn)一步提高M(jìn)o2FeB2基金屬陶瓷的綜合性能，即同時(shí)提高其硬度和韌性，以為模具鋼表面改性提供更好的材料選擇。通過(guò)在原料中添加適量單質(zhì)Y粉末，Y的“稀土效應(yīng)”可以有效降低Mo2FeB2基金屬陶瓷的晶粒大小，同時(shí)稀土元素活性大容易與雜質(zhì)元素結(jié)合并排出以減少雜質(zhì)含量以及缺陷的存在，從而從整體上提高M(jìn)o2FeB2基金屬陶瓷的硬度、韌性并改善其致密度以及孔隙率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種MoFeB基金屬陶瓷涂層的制備方法，包括以下步驟：
(1)按以下原料組成配料：Fe粉7.0-11.2份，F(xiàn)eB粉28.0-32.0份，Mo粉46.0-48.0份，Y粉1.0-2.0份，Cr粉2.0-3.0份，Ni粉2.0-4.0份，Mn粉2.0-4.0份，C粉1.0-2.0份；
(2)使用球磨機(jī)對(duì)步驟(1)的大顆粒原料進(jìn)行粉碎與混合，在氬氣氣氛保護(hù)下干磨，隨后過(guò)篩過(guò)濾掉大顆粒粉料,其中：所述球磨機(jī)采用直徑為Ф5mm和Ф10mm的不銹鋼磨球，大球與小球的質(zhì)量比為20-25:1，球料比是3-8:1，球磨轉(zhuǎn)速為200-300r/min，球 磨時(shí)間為18-22h；
(3)將步驟(2)所制備的混合原料粉末于放電等離子燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)制度為：常溫時(shí)，將粉末裝入模具放入SPS燒結(jié)爐中，經(jīng)過(guò)放電等離子燒結(jié)，并保溫，然后隨爐冷卻至室溫；爐體內(nèi)保持真空，其中：燒結(jié)升溫速率為：90-110℃/min，燒結(jié)溫度為900-1100℃，燒結(jié)壓力為25-35Mpa，保溫時(shí)間為5-15min；真空度控制≤8pa。
優(yōu)選的，所述步驟(1)的原料純度均≥99.00％；
優(yōu)選的，所述步驟(2)采用160目篩進(jìn)行過(guò)濾；
優(yōu)選的，所述步驟(2)的行星式球磨機(jī)采用直徑為Ф5mm或Ф10mm的不銹鋼磨球，大球與小球的質(zhì)量比為24:1，球料比是5:1，球磨轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時(shí)間為20h；
優(yōu)選的，所述步驟(3)的燒結(jié)制度：升溫速率為100℃/min；燒結(jié)溫度為1050℃；燒結(jié)壓力為30Mpa；保溫時(shí)間為10min；真空度控制≤6pa。
優(yōu)選的，所述步驟(1)的配料比為：Fe粉10.1-11.1份，F(xiàn)eB粉28.0-3.9份，Mo粉46.0-47.0份，Y粉1.0-1.5份，Cr粉2-2.5份，Ni粉2.0-2.9份，Mn粉2.0-2.5份，C粉1.0-1.5份
本發(fā)明的另一方面，還包括一種由上述方法制得的MoFeB基金屬陶瓷涂層。
本發(fā)明的另一方面，還包括上述MoFeB基金屬陶瓷涂層在模具鋼表面的應(yīng)用。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
(1)所用FeB粉、Fe粉、Mo粉等原料都比較易得，可以有效的降低生產(chǎn)成本。
(2)通過(guò)有效添加單質(zhì)Y粉，Y元素可以細(xì)化晶粒；形成金屬間化合物；形成氧化物等作用，這些改善了金屬陶瓷涂層的致密性和均勻性，并顯著提高了金屬陶瓷涂層的硬度、致密度和韌性等綜合性能。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明采用的純Fe粉、FeB粉、Mo粉、Y粉以及Cr粉、Ni粉、Mn粉和C粉均為市售的化學(xué)純粉末試劑，配料后先于QM-3SP4型行星式球磨機(jī)中球磨20h，在氬氣氣氛保護(hù)下干磨，過(guò)篩；然后將粉末裝入模具放入SPS燒結(jié)爐中，經(jīng)過(guò)放電等離子燒結(jié)，并保溫，然后隨爐冷卻至室溫；爐體內(nèi)保持真空。
本發(fā)明的原理是通過(guò)添加適量Y粉，利用Y元素的“稀土效應(yīng)”可以細(xì)化晶粒并改 善致密度和結(jié)孔隙率。通過(guò)添加Y粉，Mo2FeB2基金屬陶瓷的抗拉強(qiáng)度、硬度及致密度都有了顯著的提高或者改善。本發(fā)明為了使Mo2FeB2基金屬陶瓷出現(xiàn)最佳的綜合性能，所以添加適量的Cr粉、Ni粉、Mn粉，同時(shí)為了減少原料的氧化等，添加少量C粉。
對(duì)比實(shí)施例
以Fe粉12.1份，F(xiàn)eB粉30.9份，Mo粉48.0份，Cr粉2.5份，Ni粉2.9份，Mn粉2.5份，C粉1.0份進(jìn)行配料，但不添加Y粉。將上述原料先于QM-3SP4型行星式球磨機(jī)中250r/min球磨20h，在氬氣氣氛保護(hù)下干磨，過(guò)篩；所制備的混合原料粉末于放電等離子(SPS)燒結(jié)爐中燒結(jié)。常溫時(shí)，將粉末裝入模具放入SPS燒結(jié)爐中，經(jīng)過(guò)放電等離子燒結(jié)，并保溫，然后隨爐冷卻至室溫；過(guò)程中爐體內(nèi)保持真空。燒結(jié)制度為：升溫速率為100℃/min；燒結(jié)溫度為1050℃；燒結(jié)壓力為30Mpa；保溫10min；真空度控制≤6pa。
實(shí)施例1
以Fe粉11.1份，F(xiàn)eB粉30.9份，Mo粉48.0份，Y粉1.0份，Cr粉2.5份，Ni粉2.9份，Mn粉2.5份，C粉1.0份進(jìn)行配料。將上述原料先于QM-3SP4型行星式球磨機(jī)中250r/min球磨20h，在氬氣氣氛保護(hù)下干磨，過(guò)篩；所制備的混合原料粉末于放電等離子(SPS)燒結(jié)爐中燒結(jié)。常溫時(shí)，將粉末裝入模具放入SPS燒結(jié)爐中，經(jīng)過(guò)放電等離子燒結(jié)，并保溫，然后隨爐冷卻至室溫；過(guò)程中爐體內(nèi)保持真空。燒結(jié)制度為：升溫速率為100℃/min；燒結(jié)溫度為1050℃；燒結(jié)壓力為30Mpa；保溫10min；真空度控制≤6pa。
實(shí)施例2
以Fe粉10.1份，F(xiàn)eB粉30.9份，Mo粉48.0份，Y粉2.0份，Cr粉2.5份，Ni粉2.9份，Mn粉2.5份，C粉1.0份進(jìn)行配料。將上述原料先于QM-3SP4型行星式球磨機(jī)中250r/min球磨20h，在氬氣氣氛保護(hù)下干磨，過(guò)篩；所制備的混合原料粉末于放電等離子(SPS)燒結(jié)爐中燒結(jié)。常溫時(shí)，將粉末裝入模具放入SPS燒結(jié)爐中，經(jīng)過(guò)放電等離子燒結(jié)，并保溫，然后隨爐冷卻至室溫；過(guò)程中爐體內(nèi)保持真空。燒結(jié)制度為：升溫速率為90℃/min；燒結(jié)溫度為900℃；燒結(jié)壓力為30Mpa；保溫10min；真空度控制≤6pa。
實(shí)施例3
以Fe粉7.0份，F(xiàn)eB粉32.0份，Mo粉46.0份，Y粉2.0份，Cr粉3.0份，Ni粉4.0份，Mn粉4.0份，C粉2.0份進(jìn)行配料。將上述原料先于QM-3SP4型行星式球磨機(jī)中250r/min球磨20h，在氬氣氣氛保護(hù)下干磨，過(guò)篩；所制備的混合原料粉末于放電等離 子(SPS)燒結(jié)爐中燒結(jié)。常溫時(shí)，將粉末裝入模具放入SPS燒結(jié)爐中，經(jīng)過(guò)放電等離子燒結(jié)，并保溫，然后隨爐冷卻至室溫；過(guò)程中爐體內(nèi)保持真空。燒結(jié)制度為：升溫速率為110℃/min；燒結(jié)溫度為1100℃；燒結(jié)壓力為25Mpa；保溫5min；真空度控制≤8pa。
實(shí)施例4
以Fe粉11.2份，F(xiàn)eB粉28.0份，Mo粉47.0份，Y粉1.5份，Cr粉2.0份，Ni粉.02份，Mn粉2.0份，C粉1.5份進(jìn)行配料。將上述原料先于QM-3SP4型行星式球磨機(jī)中250r/min球磨20h，在氬氣氣氛保護(hù)下干磨，過(guò)篩；所制備的混合原料粉末于放電等離子(SPS)燒結(jié)爐中燒結(jié)。常溫時(shí)，將粉末裝入模具放入SPS燒結(jié)爐中，經(jīng)過(guò)放電等離子燒結(jié)，并保溫，然后隨爐冷卻至室溫；過(guò)程中爐體內(nèi)保持真空。燒結(jié)制度為：升溫速率為100℃/min；燒結(jié)溫度為1050℃；燒結(jié)壓力為35Mpa；保溫15min；真空度控制≤6pa。
以上實(shí)施例均采用機(jī)械球磨方式使金屬粉末充分混合，然后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)的一系列技術(shù)路線。
本發(fā)明采用MH—6型顯微硬度計(jì)來(lái)測(cè)定顯微硬度，加載載荷為100gf，加載停留時(shí)間為10s；采用SHIMADZUAUY120型專用天平，根據(jù)阿基米德排水法來(lái)測(cè)量試樣的致密度；采用型號(hào)為OLYMPUSGX51型金相顯微鏡根據(jù)ISO4505標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定試樣的孔隙率；采用型號(hào)WDW-20微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試，確定試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。
測(cè)量對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1-4的Mo2FeB2基金屬陶瓷的表面維氏硬度，得到以下數(shù)據(jù)：在原料中沒有添加Y粉的Mo2FeB2基金屬陶瓷的對(duì)比實(shí)施例表面維氏硬度為1167HV，添加Y粉的Mo2FeB2基金屬陶瓷的實(shí)施例1-4表面維氏硬度的平均值達(dá)到了1726-1889HV。
測(cè)量對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1-4的Mo2FeB2基金屬陶瓷的致密度，得到以下數(shù)據(jù)：對(duì)比實(shí)施例的致密度為7.49g/cm3；實(shí)施例1-4的致密度均值達(dá)到了7.90-8.23g/cm3。
測(cè)量對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1-4的Mo2FeB2基金屬陶瓷的孔隙率，得到以下數(shù)據(jù)：對(duì)比實(shí)施例的孔隙率有5.45％，實(shí)施例1-4的孔隙率均值降低到2.90％-3.11％。
測(cè)量對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1-4的Mo2FeB2基金屬陶瓷的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，得到以下數(shù)據(jù)：對(duì)比實(shí)施例的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為13.51和58.11Mpa，實(shí)施例1-4的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均值分別22.15Mpa-23.75Mpa和114.86-116.32Mpa。
通過(guò)上述比較，充分證明了本發(fā)明了添加Y粉后的Mo2FeB2基金屬陶瓷的力學(xué)綜合性能得到了很大提高，而且性能比較優(yōu)異。
以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例， 不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。