專利名稱：金屬陶瓷制造技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
常規(guī)熱壓法制造的Al2O3-TiC陶瓷和Al2O3-TiC基金屬陶瓷用作刀具材料已有二十年歷史，至今仍然是用量最大的陶瓷刀具，廣泛用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼、鑄鐵、石墨和膠皮等的加工。這類陶瓷是采用Al2O3和TiC等粉末經(jīng)混合后熱壓制成的。這種工藝很難獲得晶粒細(xì)小、相分布均勻的材料，成本高。
自蔓燃高溫合成法(SHS)是利用反應(yīng)放熱制備材料的新技術(shù)，能耗低、工藝設(shè)備較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量好。R。A。Culter等采用SHS法制備了致密Al2O3-TiC陶瓷(“Synthesis and Densification of Oxide-Carbide Composites”，Ceram Eng.Sci.Proc.6〔7-8〕，715-728，1985).SHS法制備了Al2O3-TiC陶瓷的韌性比傳統(tǒng)熱壓陶瓷的好。但是，陶瓷的脆性仍然限制了其廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是利用SHS法制備Al2O3-TiC基金屬陶瓷，加入金屬添加劑，改善材料的韌性，擴(kuò)大使用范圍，降低成本。
本發(fā)明的構(gòu)思是采用SHS法合成Al2O3-TiC基體，同時(shí)加入金屬粘結(jié)劑，形成組織均勻的金屬陶瓷，在SHS反應(yīng)過(guò)程中，同時(shí)形成Al2O3和TiC，它們的長(zhǎng)大受到彼此的抑制。因此，可以獲得晶粒細(xì)小、相分布均勻的組織。同時(shí)，添加粘結(jié)金屬將Al2O3-TiC結(jié)合起來(lái)形成強(qiáng)度高韌性好的金屬陶瓷。其詳細(xì)敘述如下1.TiO2、Al和C是主要的反應(yīng)物料，按反應(yīng)式TiO2+Al+C→TiC+Al2O3+Q，形成基本成分Al2O3和TiC，Q是反應(yīng)放熱。在上述反應(yīng)物料中，加入一種或二種鐵族元素(Fe、Co、Ni)，作為金屬粘結(jié)劑。同時(shí)，加入一種或二種第ⅥB族金屬元素(Cr、Mo、W)，通過(guò)反應(yīng)形成這些元素的碳化物與TiC的固溶體，以便改善鐵族粘結(jié)金屬對(duì)TiC的潤(rùn)濕性，為了促進(jìn)Al2O3的燒結(jié)并抑制其晶粒長(zhǎng)大，還加入少量MgO、NiO或TiO2等氧化物。
2.在金屬陶瓷中，陶瓷相的總量為80～95wt%，其中，TiC量為20～60wt%，通過(guò)加入Al2O3粉或過(guò)量TiO2和C來(lái)調(diào)整Al2O3與TiC的比例。MgO或NiO，TiO2的含量為0.1～1wt%。
3.在金屬陶瓷中，金屬添加劑的總量為5～20wt%。其中，鐵族金屬量為1～15wt%，以金屬粉末的形式加入。第ⅥB族元素的量為1～10wt%，以金屬粉末的形成加入，也可以金屬氧化物的形成加入。
4.Al2O3-TiC基金屬陶瓷可通過(guò)如下工藝來(lái)制備。
(1)SHS-熱壓法在物料發(fā)生SHS反應(yīng)的同時(shí)進(jìn)行熱壓，這種工藝工序少，成本低。
(2)SHS合成-破碎-熱壓合成的物料經(jīng)破碎成粉末后混料，進(jìn)行熱壓;
(3)SHS合成-破碎-成型-燒結(jié)合成的物料經(jīng)破碎成粉末后混料、模壓成型后燒結(jié)。
采用SHS法制造Al2O3-TiC基金屬陶瓷，密度4.2～4.6克/厘米3，硬度Hv為18.0～20.0GPa，抗彎強(qiáng)度600～850MPa，斷裂韌性KIC為4.5～6MPa·m1／2。刀具加工55鋼(淬硬HRc50～55)，切削速度為110m/min，刀具磨損0.24mm時(shí)，切削時(shí)間為90min。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于比傳統(tǒng)熱壓Al2O3-TiC刀具壽命增長(zhǎng)3倍，且工藝簡(jiǎn)單，成本低。
實(shí)例158克TiO2粉(-100目)，26克Al粉(-200目)，8.5克炭黑，4克Ni粉(-200目)，3克Mo粉(-200目)和0.5克MgO粉球磨24小時(shí)?；旌虾玫脑嚵涎b入石墨模具中，在直熱式熱壓機(jī)上進(jìn)行SHS-熱壓，當(dāng)模具加熱到約1400℃時(shí)，試料發(fā)生反應(yīng)，立即施加壓力(200kg/cm2)進(jìn)行熱壓。此時(shí)試料溫度達(dá)1700～1900℃。熱壓10秒鐘左右即可得到致密Al2O3-TiC-Ni、(Mo)金屬陶瓷。密度4.6g/cm3，硬度Hv 19.0GPa，抗彎強(qiáng)度850MPa，斷裂韌性KIC5.5MPa·m1／2。刀具切削結(jié)果如前所述。
實(shí)例258克TiO2粉(-100目)，26克Al粉(-200目)和8.5克炭黑，混合8小時(shí)后，置入小型SHS反應(yīng)器合成。合成料經(jīng)球磨24小時(shí)，粉碎成粉末。合成粉末中再加入4克Ni粉(-200目)，3克Mo粉(-200目)和0.5克MgO粉，球磨24小時(shí)?；旌虾玫牧涎b入石墨模具內(nèi)，在直熱式熱壓機(jī)上熱壓，熱壓溫度1650～1700℃，壓力200kg/cm2，時(shí)間10分鐘，就可以獲得致密金屬陶瓷。密度4.65g/cm3，硬度Hv19.2GPa，抗彎強(qiáng)度800MPa，斷裂韌性KIC5.4MPa·m1／2。
實(shí)例368克TiO2粉，31克Al粉，9克炭黑和62克Al2O3粉(-400目)混合8小時(shí)，反應(yīng)試料在SHS反應(yīng)器中，借鎢絲加熱點(diǎn)燃，合成Al2O3+TiC。合成料經(jīng)24小時(shí)球磨成粉末。合成粉末再加入6克Ni粉，4克Mo粉和1克MgO粉，經(jīng)球磨24小時(shí)?；旌虾玫姆勰┠撼尚?，后在真空炭管爐進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)溫度1700～1800℃，時(shí)間1小時(shí)，得到致密金屬陶瓷。密度4.3克/cm3，硬度Hv18.6GPa，抗彎強(qiáng)度605MPa，斷裂韌性KIC 4.5MPa·m1／2。
權(quán)利要求
1.一種金屬陶瓷制造技術(shù)，其特征在于采用自蔓燃高溫合成法(SHS)，利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱來(lái)合成Al2O3和TiC，同時(shí)加入金屬添加劑一種或二種鐵族元素(Fe、Co、Ni)和一種或二種第ⅥB族金屬(Cr、Mo、W)，形成金屬陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷制造技術(shù)，其特征在于陶瓷相總量為80～95wt%，其中TiC量為20～60wt%，MgO或NiO或TiO2量為0.1～1%，其余為Al2O3;金屬陶瓷的成型方法可以在下述方法中選擇一種SHS合成的同時(shí)熱壓;SHS合成-粉碎(混合)-熱壓;SHS合成-粉碎(混合)-壓制-燒結(jié)。
3.按照權(quán)利要求1所述金屬陶瓷制造技術(shù)，其特征在于，金屬添加劑總量為5～20wt%，其中鐵族金屬為1～15wt%，第ⅥB族金屬元素量為1～10wt%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬陶瓷制造技術(shù)，特征在于采用自蔓燃高溫合成法(SHS)，利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱來(lái)合成Al
文檔編號(hào)C22C1/05GK1088993SQ9211487
公開日1994年7月6日 申請(qǐng)日期1992年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月31日
發(fā)明者殷聲, 郭志猛, 唐清, 果世駒, 鐘吉華, 賴和怡 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)