一种(TiC_xN_y-TiB₂)/Ni陶瓷-金属复合材料及其制备方法

专利名称：一种(TiC_xN_y-TiB₂)/Ni陶瓷-金属复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高硬度和高耐磨性的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料 及其制备方法。
背景技术：
随着我国航天、航空、汽车及机械等行业的发展，对于材料的耐高温、耐磨损及耐 腐蚀等特性的要求越来越急迫。将单相或者多相陶瓷用金属相粘结起来合成的陶瓷_金属 复合材料能够将金属良好的导热、导电及好的塑性与陶瓷的耐高温、耐磨损及耐腐蚀性有 效的结合起来，满足了工业生产的需要。例如目前国内外公认的高硬度、高耐磨WC-Co硬 质合金被广泛的应用于勘探钻井、机械制造的钻头等；TiCxNy基金属陶瓷用于制作切削刀 具等；TiC基金属陶瓷用于制作喷气发动机叶片等和Al203-Cr金属陶瓷用于制作导弹喷管 衬套等。尽管WC-Co硬质合金具有很好的物理特性，但其高的脆性限制了其应用。TiC，y陶 瓷，由于其综合了TiC和TiN这两种陶瓷的优点近年来而备受关注，尤其在制备金属陶瓷材 料方面。为了进一步改善TiCxNy陶瓷基材料的力学性能及应用范围，通常人们会向TiCxNy 陶瓷基材料中添加第二相陶瓷，例如WC和TaC等。近年来，也有一些学者尝试着向TiCxNy陶 瓷基材料中加入TiB2来改善材料的性能。传统上，合成TiCxNy-TiB2复合材料的方法是二步 法，即首先分别获得TiCxNy和TiB2陶瓷粉末，然后按照粉末冶金的方法制备成TiCxNy-TiB2 陶瓷基复合材料。这样的制备方法通常需要在高于1700摄氏度的高温和气体保护下来完 成。另外，在进行烧结前，先将混合好的粉末冷压成大于98%理论密度的致密压坯，因此，通 常需要在大约300MPa的压力下压制。这些工艺的实现对于设备的要求很高，很大程度上增 加了 TiCxNy-TiB2陶瓷基复合材料的制备成本，而且材料长时间处在高温环境下，陶瓷相品 粒尺寸也会逐渐长大，从而影响材料的性能。此外，有人在用二步法制备TiCxNy-TiB2陶瓷基 复合材料时，为了材料的致密化会同时添加Fe、Ni、Cr和Co的金属粉末混合物作为粘结剂， 而未见单独使用Ni作为粘结剂的。据相关报道，金属Ni不但自身具有较高的硬度、熔点及 较好的耐腐蚀性，其处于液态时与TiCxNy和TiB2均有较好的润湿性。采用Ni作为粘结剂， 能有效地提高材料的致密度及材料的高温力学性能。因此，急需一种所用设备简单，且能一 步合成的方法来制备具有高硬度、高耐磨性和相对较高韧性的组分TiCxNy、 TiB2和Ni按重 量百分比大范围可调的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料。

发明内容
本发明的目的在于以Ni，Ti，BN和B4C为原料，通过燃烧合成与压力辅助相结合的 方法制备一种组分按重量百分比为TiCxNy 37 17、TiB2 53 23、Ni 10 60具有高硬度 和高耐磨性的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料及其制备方法。 本发明是利用Ni、 Ti、 BN和B4C之间放热反应，配合热挤压工艺一步合成 (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料，并通过改变反应物中Ni的质量百分比来获得不同 质量分数陶瓷相的复合材料，以达到不同应用的需求。本发明其特征在于包括以下步骤
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步骤1，配料取粉末尺寸为40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微 米的B4C粉和3. O微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩尔比为Ti : B4C : BN =4. 5 : 1 : 1， Ni含量重量百分比为10 60。 步骤2，混料将配好的粉料在滚筒式球磨机内混合8小时，随后将混合后的粉末 在研钵中手混15分钟使粉末混合均匀。 步骤3，压制成型取适当混合后的粉料放入模具中，在室温下压制成直径为22毫 米、高度为30-50毫米的圆柱形反应预制块，预制块密度为混合粉料理论密度的70%。
步骤4， (TiCxNy_TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料的制备将预制块放入石墨模具中， 然后在预制块上端部位放入一高强度石墨压杆。将装有预制块的石墨模具放入一带有液压 装置的真空/气氛保护的燃烧反应炉中以40度每分钟的升温速率将预制块加热至950 980摄氏度，引发燃烧反应。 一旦燃烧反应发生，立即对预制块施加3 5MPa的轴向压力， 保压30秒后随炉冷却至室温，即合成本发明的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料。


图1是实施例1成分(TiCxNy_TiB2) 显微镜(SEM)照片； 图2是实施例1成分(TiCxNy_TiB2)
图3是实施例3成分(TiCxNy-TiB2) 显微镜(SEM)照片； 图4是实施例3成分(TiCxNy_TiB2)
图5是实施例4成分(TiCxNy_TiB2) 显微镜(SEM)照片； 图6是实施例4成分(TiCxNy_TiB2)
图7是实施例5成分(TiCxNy_TiB2) 显微镜(SEM)照片； 图8是实施例5成分(TiCxNy_TiB2)
'Ni陶瓷-金属复合材料显微结构的扫描电子
'Ni陶瓷-金属复合材料的X射线分析；
'Ni陶瓷-金属复合材料显微结构的扫描电子
'Ni陶瓷-金属复合材料的X射线分析；
'Ni陶瓷-金属复合材料显微结构的扫描电子
'Ni陶瓷-金属复合材料的X射线分析；
'Ni陶瓷-金属复合材料显微结构的扫描电子
'Ni陶瓷-金属复合材料的X射线分析。
具体实施例方式
以下通过附图所示实施例对本发明作进一步说明。
实施例1 参阅图1、图2，制取按重量百分比组分组成为TiCxNy37、 TiB253、 NilO的 (TiCxNy_TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料。 取粉末尺寸为40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩尔比为Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1，
Ni含量重量百分比为10。将配制的粉料在滚筒式球磨机上混合8小时，随后将混合后的粉 末在研钵中手混15分钟使粉末混合均匀。将混合好的粉末压制成为直径为22毫米、高度 为30毫米的圆柱形反应预制块，预制块密度为混合粉料理论密度的70%。将预制块放入 石墨模具中，然后在预制块上端部位放入一高强度石墨杆。将装有预制块的石墨模具放入 一带有液压装置的真空/气氛保护燃烧反应炉内以40度每分钟的升温速率将预制块加热
4至950 980摄氏度，引发燃烧反应。 一旦反应发生，立即对预制块施加3 5MPa的轴向 压力，保压30秒后随炉冷却至室温，即合成本发明的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材 料。在此成分的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料中制取试样，在HR-150型洛氏硬度 计上进行硬度测试，在ML-IOO磨损试验机上进行磨损试验，并与洛氏硬度为78、组分组成 按重量百分比为WC92、 Co8的硬质合金(以下简称WC-Co硬质合金)进行对比。测试结果 显示，此成分(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷金属复合材料洛氏硬度为68士1。在磨粒尺寸为13微 米的SiC砂纸上，15N载荷下，磨损距离为40米时，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金属复合 材料的耐磨性为WC-Co硬质合金的三分之一。
实施例2 制取按重量百分比组分组成为TiCxNy33、 TiB247、 Ni20的(TiCxNy_TiB2)/Ni陶 瓷-金属复合材料。 取粉末尺寸为40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩尔比为Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1， Ni含量重量百分比为20。其制备方法同实施例l。其洛氏硬度为68.9士1。在磨粒尺寸为 13微米的SiC砂纸上，15N载荷下，磨损距离为40米时，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金属 复合材料的耐磨性为WC-Co硬质合金的二分之一。
实施例3 参阅图3、图4，制取按重量百分比组分组成为TiCxNy29、 TiB241、 Ni30的 (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料。 取粉末尺寸为40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩尔比为Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1，
Ni含量重量百分比为30。其制备方法同实施例l。其洛氏硬度为70士1。在磨粒尺寸为13 微米的SiC砂纸上，15N载荷下，磨损距离为40米时，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金属复 合材料的耐磨性与WC-Co8硬质合金相当。
实施例4 参阅图5、图6，制取按重量百分比组分组成为TiCxNy25、 TiB235、 Ni40的 (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料。 取粉末尺寸为40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩尔比为Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1，
Ni含量重量百分比为40。其制备方法同实施例l。其洛氏硬度为68士1。在磨粒尺寸为13 微米的SiC砂纸上，15N载荷下，磨损距离为40米时，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金属复 合材料的耐磨性为WC-Co8硬质合金的二分之一。
实施例5 参阅图7、图8，制取按重量百分比组分组成为TiCxNy21、 TiB229、 Ni50的 (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料。 取粉末尺寸为40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩尔比为Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1，
Ni含量重量百分比为50。其制备方法同实施例l。其洛氏硬度为66士1。在磨粒尺寸为13 微米的SiC砂纸上，15N载荷下，磨损距离为40米时，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金属复合材料的耐磨性为WC-Co8硬质合金的四分之三。
权利要求
一种(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料，其特征在于利用Ni、Ti、B4C和BN粉末之间的燃烧反应结合热挤压工艺合成具有不同Ni含量的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料，其组分按重量百分比为TiCxNy37～17、TiB253～23、Ni10～60。
2. —种用于权利要求l所述的(TiC，y-TiB》/Ni陶瓷-金属复合材料的制备方法，其 特征在于采用以下工艺步骤步骤1，配料取粉末尺寸为40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的 B4C粉和3. O微米的BN粉配料，其中，Ti、B4C和BN的比例按摩尔比为Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1， Ni含量重量百分比为10 60 ;步骤2，混料将配好的粉料在滚筒式球磨机内混合8小时，随后将混合后的粉末在研 钵中手混15分钟使粉末混合均匀；步骤3，压制成型取适当混合后的粉料放入模具中，在室温下压制成直径为22毫米、 高度为30-50毫米的圆柱形反应预制块，预制块密度为混合粉料理论密度的70% ;步骤4， (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料的制备将预制块放入石墨模具中，然后 在预制块上端部位放入一高强度石墨压杆；将装有预制块的石墨模具放入一带有液压装置 的真空/气氛保护的燃烧反应炉中以40度每分钟的升温速率将预制块加热至950 980 摄氏度，引发燃烧反应；一旦燃烧反应发生，立即对预制块施加3 5MPa的轴向压力，保压 30秒后随炉冷却至室温，(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷_金属复合材料合成完成。
全文摘要
本发明涉及采用Ni、Ti、B4C和BN粉末，通过燃烧合成与压力辅助相结合的方法合成一种组分按重量百分比为TiCxNy 37～17、TiB2 53～23、Ni 10～60具有高硬度和高耐磨性的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料及其制备方法。其目的在于利用Ni，Ti，B4C和BN粉末间的燃烧反应与热压相结合一步合成(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金属复合材料，以克服传统粉末冶金法对设备及制备工艺要求高的缺点；同时，由于Ni与TiCxNy和TiB2均具有较好的润湿性，采用Ni作为粘结剂能有效的提高TiCxNy-TiB2陶瓷基复合材料的材料的致密度及材料的高温力学性能。
文档编号B22F3/23GK101787476SQ20101003082
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月18日 优先权日2010年1月18日
发明者姜启川, 战磊, 沈平, 王慧远 申请人:吉林大学