专利名称：：含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷及其制备方法
技术领域：
：本发明属于金属陶瓷材料，具体涉及一种含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷及其制备方法。
背景技术：
：Ti(C,N)基金属陶瓷是20世纪70年代出现的一种新型颗粒增强型复合金材料，与WC基硬质合金相比，其高温红硬性、耐磨性、刚性和抗粘附性好，且密度低，主要原料丰富，是制作刀具、拉丝模、热挤压模、发动机热端高温部件及石化工业中高温耐磨零部件的理想工程材料。但是，Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧性对其化学成分和显微组织结构十分敏感，往往难以同时具有高硬度和高强韧性，这制约了其在工模具等领域中的推广应用。为此，工业发达国家尤其是物质资源匮乏的日本，高度重视Ti(C，N)基金属陶瓷的基础研究及其产品研发。为了提高Ti(C，N)基金属陶瓷的综合性能水平尤其是强韧性水平，目前国内外广泛采用Ni、Co或者Ni-Co作为粘结剂。这些Ti(C,N)基金属陶瓷已广泛用于制作车刀、面铣刀、钻头、齿轮滚铣刀等刀具与拉丝模、压制模等模具。然而，含Ni、Co或者Ni-Co粘结剂的Ti(C，N)基金属陶瓷，因高温抗氧化性不理想，组织性能不稳定，因而由其制作的刀具进行高速高效切削时使用寿命短(切削温度可达100(TC)，由其制作的热挤压模挤压铜型材时使用寿命也短(挤压温度为78085(TC)，见Oxidationbehavioroftitaniumcarbonitridebasedmaterials,CorrosionScience,2002,44:1967—1982;OxidationofTi(C,N)-basedceramicsexposedat1373Kinair,JournalofAmericanCeramicSociety,2000,83(3):672—674。可见，Ti(C,N)基金属陶瓷要用于制作高性能高速高效切削刀具和铜型材热挤压模，必须提高其高温抗氧化性。
发明内容本发明提供一种含Ni^r粘结剂的金属陶瓷及其制备方法，采用Ni-Cr合金作为该金属陶瓷的粘结剂，目的在于使该金属陶瓷的高温抗氧化性得到改善，适合制作高性能高速高效切削刀具和铜型材热挤压模具。本发明的一种含Ni"Cr粘结剂的金属陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末，经球磨混料、模压成型、真空脱脂和真空烧结制成，最终烧结体中的硬质相为Ti(C,N)固溶体，粘结相为Ni-Cr固溶体，其组成成分重量百分比为33《Ti《49，4《W《9，ll《Mo《17，12《Ni《34,4《Cr《10.5，7.5《C《11，2《N《3，其中重量百分比为0.41.0°/0的Cr来自于Cr3C2粉末，其余Cr来自于Cr粉末。所述的含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，其特征在于所述球磨混料步骤中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一种，其中元素Nb、Ta和Al占整个陶瓷材料重量百分比为0《Nb《2，0《Ta《10，0《A1《1，且Nb、Ta和Al三者总含量大于O。在本发明的金属陶瓷中，TiC的作用是作为硬质相，保证该金属陶瓷具有高的硬度和好的耐磨性；TiN的作用是抑制硬质相晶粒长大，提高该金属陶瓷的强韧性；Mo和WC的作用是改善Ni-Cr粘结剂对硬质相颗粒的润湿性，并控制环形相厚度，提高该金属陶瓷的强韧性；Cr3C2的作用是改善硬质相的塑性，提高该金属陶瓷的强度；Ni-Cr粘结剂的作用是保证该金属陶瓷具有高强韧性的同时，还具有好的高温抗氧化性；石墨的作用一方面是防止该金属陶瓷在真空烧结过程中发生脱碳，另一方面是其在真空烧结过程中与氧反应，降低该金属陶瓷中的氧含量，以提高相界面的润湿性。在该金属陶瓷中，添加NbC和TaC的作用是提高该金属陶瓷的高温刚性、红硬性、抗氧化性和抗热震性；添加A1的作用是提高该金属陶瓷的高温抗氧化性。本发明的金属陶瓷的制备方法，包括下述步骤(1)球磨混料将能满足所述组成成分重量百分比的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末进行混合，采用球磨机进行湿式球磨而获得成分均匀的混合粉体，球磨介质为无水乙醇，转速150300rpm，球磨时间2448h;(2)模压成型添加重量百分比为38%的聚乙烯醇(PVA)，采用粉末制品压制机进行模压成型，压制压力150300MPa;(3)真空脱脂采用真空热处理炉进行真空脱脂，真空度小于5Pa，脱脂温度200400°C,保温时间48h;(4)真空烧结采用真空烧结炉进行真空烧结，真空度小于lxlO"Pa，烧结温度14101460°C，保温时间0.751.5h。所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述球磨混料步骤中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一种，其中元素Nb、Ta和Al占整个陶瓷材料重量百分比为0《Nb《2，0《Ta《10，0《A1《1，且Nb、Ta和Al三者总含量大于0。与Ni、Co禾nNi-Co合金相比，含1030%0(重量百分比)的Ni-Cr合金在高温具有好的抗氧化性、高的抗蠕变极限和一定的耐蚀性，已广泛用于制作热处理设备中的电加热元件、化工领域中的耐热耐蚀零部件等。此外，这类Ni-Cr合金也广泛用于制作耐热耐蚀涂层。为此，本发明以Ni~Cr合金作为粘结剂制备Ti(C,N)基金属陶瓷，使其在保持此类材料原有性能优势的基础上，其高温抗氧化性得到改善。本发明的金属陶瓷，室温硬度^87HRA，抗弯强度》1700MPa，在高温氧化环境中具有好的刚性、红硬性、耐磨性、抗氧化性、抗热震性和抗粘附性，与金属材料之间的摩擦系数低，除可用于制作普通切削刀具、拉丝模和压制模外，还可用于制作高性能高速高效切削刀具、铜型材热挤压模和其它耐热耐蚀耐磨零部件。具体实施例方式以下结合具体实施例对本发明进一步说明。本发明所用TiC、TiN、Mo、WC、Cr3C2、Ni、Cr、石墨、NbC、Ta和A1粉末的平均粒度、氧含量和纯度如表l所示。表1粉末的平均粒度、氧含量和纯度<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>石墨<3099.85NbC2.370.24TaC2.740.097Al1650.1499.0如表2所示，作为对比的A1、A2、A3、A4和A5五种配方的含Ni粘结剂的金属陶瓷，选用表1中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni和石墨粉末作为原料；本发明的Bl、B2、B3、B4和B5共五种配方的含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，选用表1中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末作为原料。这十种金属陶瓷的具体制备过程如下首先根据表2中所示的成分进行配料，然后根据表3中所示的球磨混料工艺进行球磨混料获得成分均匀的混合粉末，接着添加适量聚乙烯醇根据表3中所示的模压成型工艺进行模压成型，最后根据表3中所示的真空脱脂和真空烧结工艺进行真空脱脂和真空烧结，获得致密的烧结体，真空脱脂和真空烧结时的真空度分别小于5Pa和lxlO"Pa。这十种金属陶瓷的室温硬度、抗弯强度与在IOO(TC大气中氧化100h后的质量增幅及尺寸增幅(尺寸增幅为长、宽和高三个方向尺寸之和的平均值)如表4所示。表2A组和B组金属陶瓷的成分(重量百分比)配方序号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组配方、B组配方分别是含Ni粘结剂、含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，且A1、A2、A3、A4和A5五种配方的Ni粘结剂含量分别与Bl、B2、B3、B4和B5五种配方中的Ni-Cr粘结剂含量是一致的(表中Bl至B5种配方中的Cr含量包括Cr3C2组元中的Cr含量)。表3A组和B组金属陶瓷的工艺参数酉己球磨混料模压成型真空脱脂真空烧结方序号转速Crpm)球磨时间(h)PVA含量(重量百分比)成型压力(MPa)脱脂温度(。c)保温时间(h)烧结温度rc)保温时间(h)Al300248150400614601.5A2150483300200814100.75A320040250400414100.75A4250366200300614301.0A528030180300814301.0Bl300248150400614601.5B2150483300200814100.75B320040250400414100.75B4250366200300614301.0B5280307180300814301.0表4A组和B组金属陶瓷的室温力学性能与在100(TC大气中氧化100h后<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>实施例2如表5所示，本发明的Cl、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10共十种配方的含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，选用表l中的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr、石墨、NbC、TaC和Al粉末作为原料。这十种金属陶瓷的具体制备过程如下首先根据表5中所示的成分进行配料，然后根据表6中所示的球磨混料工艺进行球磨混料获得成分均匀的混合粉末，接着添加适量的聚乙烯醇根据表6中所示的模压成型工艺进行模压成型，最后根据表6中的真空脱脂和真空烧结工艺进行真空脱脂和真空烧结，获得致密的烧结体，真空脱脂和真空烧结时的真空度分别小于5Pa和lxlO"Pa。这十种含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷的室温硬度、抗弯强度与在100(TC大气中氧化100h后的质量增幅与尺寸增幅(尺寸增幅为长、宽和高三个方向尺寸增幅之和的平均值)如表7所示。表5C组金属陶瓷的成分(重量百分比)配方序号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组金属陶瓷的工艺参数_配球磨混料_模压成型_真空脱脂_真空烧结方球磨PVA含帛转速成型压脱脂温保温时烧结温保温时^时间量(重量号(rpm)(h)百分比)力(MPa)度(°c)1间(h)度(°c)间(h:Cl300248150400814601.5C2300248150400814601.5C3150483300200614100.75C420040250400414100.75C5200405250300614100.75C6250366200300614301.0C7250366200300614301.0C8250366200300614301.0C9280307180400814501.25C10280307180400814501.25表7C组金属陶瓷的室温力学性能与在100(TC大气中氧化100h后的质量增幅及尺寸增幅室温力学性能在100(TC大气中氧化100h配方序号硬度抗弯强度质量增幅尺寸增幅.(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权利要求1.一种含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末，经球磨混料、模压成型、真空脱脂和真空烧结制成，最终烧结体中的硬质相为Ti(C，N)固溶体，粘结相为Ni-Cr固溶体，其组成成分重量百分比为33≤Ti≤49，4≤W≤9，11≤Mo≤17，12≤Ni≤34，4≤Cr≤10.5，7.5≤C≤11，2≤N≤3，其中重量百分比为0.4～1.0％的Cr来自于Cr3C2粉末，其余Cr来自于Cr粉末。2.如权利要求l所述的含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷，其特征在于所述球磨混料步骤中添加NbC、TaC和Al粉末中的至少一种，其中元素Nb、Ta和Al占整个陶瓷材料重量百分比为0《Nb《2，0《Ta《10，0《A1《1，且Nb、Ta和Al三者总含量大于O。3.权利要求1所述的金属陶瓷的制备方法，包括下述步骤(1)球磨混料将能满足所述组成成分重量百分比的TiC、TiN、WC、Mo、Cr3C2、Ni、Cr和石墨粉末进行混合，采用球磨机进行湿式球磨而获得成分均匀的混合粉体，球磨介质为无水乙醇，转速150300rpm，球磨时间2448h;(2)模压成型添加重量百分比为38%的聚乙烯醇，采用粉末制品压制机进行模压成型，压制压力150300MPa;(3)真空脱脂:采用真空热处理炉进行真空脱脂，真空度小于5Pa，脱脂温度200400°C，保温时间48h;(4)真空烧结采用真空烧结炉进行真空烧结，真空度小于lxlO"Pa，烧结温度14101460°C，保温时间0.751.5h。4.如权利要求3所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述的球磨混料步骤中添加NbC、TaC和Al三种粉*末中的至少一种，其中元素Nb、Ta和Al占整个陶瓷材料重量百分比为0《Nb《2，0《Ta《10，0《A1《1，且Nb、Ta和A1三者总含量大于0。全文摘要含Ni-Cr粘结剂的金属陶瓷及其制备方法，属于金属陶瓷材料，目的在于使该金属陶瓷的高温抗氧化性得到改善。本发明的金属陶瓷，由TiC、TiN、WC、Mo、Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>、Ni、Cr和石墨粉末，经球磨混料、模压成型、真空脱脂和真空烧结制成，其组成成分重量百分比为33≤Ti≤49，4≤W≤9，11≤Mo≤17，12≤Ni≤34，4≤Cr≤10.5，7.5≤C≤11，2≤N≤3。本发明的方法，包括球磨混料、模压成型、真空脱脂和真空烧结步骤。本发明的金属陶瓷，在高温环境中具有好的刚性、红硬性、耐磨性、抗氧化性、抗热震性和抗粘附性，摩擦系数低，可用于制作高速高效切削刀具、铜型材热挤压模和耐热耐蚀耐磨零部件。文档编号C22C1/05GK101435047SQ20081023690公开日2009年5月20日申请日期2008年12月19日优先权日2008年12月19日发明者姚振华,孙文礼,俊李,杨青青,熊惟皓,峻瞿申请人:华中科技大学