专利名称：一种晶须增韧金属陶瓷材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种晶须增韧金属陶瓷材料技术领域。
背景技术：
铜合金热挤压坯料的温度650-1100°C，热挤压模具是在高温、高压、磨损和热疲劳等恶劣条件下服役的，热挤压模具失效最主要是热疲劳裂纹造成破裂。专利CN1093121A、 CN86107658A,CN1506483A 等通过对金属 W、Cr、Ni、Fe、Co 及陶瓷相 Al203、La203、(Ti, W, Ta, Nb)C成分及粒度调整及加工工艺控制，制得的金属陶瓷材料具有较好的综合性能，利用其制得的热挤压模具在挤压某铜合金管时平均使用寿命阳次/套。但仍存在不足，平均使用寿命仍不理想。究其原因，虽强硬度及耐磨性高，但韧性不够，抗热震性或热稳定性差，易造成模具热挤压时产生破裂失效。材料的抗热震性是其力学性能和热学性能的综合表现。热震断裂涉及裂纹成核及裂纹扩展，即在热震环境中从裂纹成核、扩展，到最终断裂的全过程。研究得出，裂纹扩展的动力是弹性应变能，裂纹扩展过程即弹性应变能逐步释放而支付裂纹表面能增量的过程， 一旦应变能向裂纹表面能转化殆尽，裂纹的扩展就终止了。因此控制裂纹成核、扩展是提高韧性及抗热震性关键。大量研究表明，通过在陶瓷相中添加第二相粒子、纤维或晶须，不仅可以提高强韧性，还能显著改善抗热震性。主要是第二相的引入产生各种强韧化机制导致裂纹偏转、裂纹钉扎等有效的阻止了热震裂纹的形成与扩展。如通过在Al2O3陶瓷基体中添加部分稳定的，可以提高Al2O3陶瓷复合材料的抗热震性。当W(^O2) =20%可使热震温度达到310°C。Al2O3-SiCW复合材料的抗热震性能明显优于Al2O3-TiC复合材料。原因是晶须增韧陶瓷的晶须桥联与拔出、裂纹偏转等增韧机制的综合作用大大耗散了热震裂纹扩展的能量，增大了裂纹扩展的阻力，因此，晶须的存在对由热震所引起的裂纹扩展起极强的阻碍作用，由晶须所产生的各种增韧机制有效地阻止了裂纹的扩展与合并，使得复合材料表现出极为优越的抗热震的能力。另外，W，Cu, Mo, Ni等金属粒子，能明显提高Al2O3的强韧性，降低弹性模量，增大导热系数，从而改善材料的抗热震性能。如采用热压烧结制备的 Al203/Ni 20%网状复合材料，压痕法在300-900°C淬火温度范围内，抗热震性明显高于单相陶瓷。
发明内容
本发明的目的就是提供一种不仅具有良好的热稳定性，高的红硬性及优异的耐磨性，还具备高韧性，高温下使用寿命提高的晶须增韧金属陶瓷材料。为达上述目的，本发明采取的技术方案如下一种晶须增韧金属陶瓷材料，由金属陶瓷基体材料和镀镍碳化硅晶须组成，具体组分为30-60w%的钨、20-40w%的铬、6-20 %的三氧化二铝、0. 5_7 %的三氧化二镧、 2-18w%的镍和0. 1%的镀镍碳化硅晶须。上述金属陶瓷基体材料中的钨和铬，钨具有很好的热强性和红硬性，铬具有高的耐磨性及抗高温氧化性能；三氧化二铝和三氧化二镧可形成固溶体，提高材料的抗热震性及高温强度；镍提高了金属与陶瓷的结合强度，改善金属陶瓷材料的加工性能；采用镀镍的碳化硅晶须作为增韧材料，目的是提高碳化硅晶须与金属陶瓷基体的润湿性，以提高金属陶瓷模具的强度及断裂韧性。本发明所述的晶须增韧金属陶瓷材料用作铜合金挤压模具，与现有的材料相比平均使用寿命由55根/套提高至IM根/套，使用寿命提高一倍以上。本发明所述晶须增韧金属陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤(1)碳化硅晶须镀镍，将碳化硅晶须分别经过纯化、敏化、活化处理后再进行化学镀镍；(2)原料混合，先将金属陶瓷基体材料的各组分原料按照所需重量百分比置于球磨机内进行湿磨；然后按照所需重量百分比加入步骤(1)制得的镀镍碳化硅晶须进行混合；(3)热压成型，将步骤(2)混合好的原料于保护性气体中热压烧结。上述的步骤O)中，金属陶瓷基体材料的各组分原料湿磨时使用的球磨罐优选 yg8球；采用的球磨机优选行星式球磨机；球磨时间优选15 28小时，转速200 250rpm ； 加入镀镍碳化硅晶须后混合球磨的时间优选2 8小时，转速150 250rpm。上述的步骤(3)热压烧结时优选的工艺的条件为升温速率20 55°C/min，加热到1150-1250°C时逐步缓慢加压到10 25MPa，当烧结温度达到1350 1600°C时保温、保压，保温保压时间为25-35min，之后随炉冷却至室温，降温速率在25_35°C /min。烧结保护气氛优选为高纯氮气。本发明的有益效果本发明提供的晶须增韧金属陶瓷材料，经检测其硬度86 92HRA，抗弯强度^TC )彡650MPa，断裂韧性彡13MPa · m1/2，抗热震稳定性1000°C下热震残余强度> 300MPa。将本发明的晶须增韧金属陶瓷材料应用于热挤压模具，跟现有的热挤压模具相比抗开裂能力明显提高，在挤压某铜合金时平均使用寿命由55根/套提高至106 根/套以上，平均使用寿命大幅提高。
具体实施例方式实施例1-5LSiC晶须的镀镍采用SiC晶须平均直径为10 lOOnm，长度为200 lOOOnm，熔点为2700°C，密度为3. 2g/cm2，弹性模量为414GPa，热膨胀系数为3. 27Χ10-6Γ1ο按以下方式进行化学镀镍(1)纯化将装载量为2g/L的SiC晶须在按1 :1:1 HNO3-HCl-H2O混合液中搅拌和超声波进行分散20 30min，加热煮沸50min，用净水清洗，最后用去离子水充分冲洗过滤后得到纯化的SiC晶须。(2)敏化按1 4 5比例将纯化处理的SiC晶须与SnCl2-HCl-H2O混合液一起搅拌，超声波进行20 30min的分散，用去离子水充分冲洗过滤后得到敏化的SiC晶须。(3)活化将敏化处理的SiC晶须与按1:1:2比例的PbCl2-HCl混合液一起搅拌，超声波进行20 30min的分散，用去离子水充分冲洗过滤后得到活化的SiC晶须。(4)化学镀镍将经过活化处理的SiC晶须加入到镀镍液(NiSO4. 6H20, NaC2H3O2,NaH2PO2. H2O, Na3C6H5O7. 2H20，十二烷基苯磺酸钠，比例为 10 10 10 5 1)中，通过化学沉积实现SiC晶须表面镀镍，镀镍时控制镀镍液PH值为5 6，镀镍温度为30 50°C， 反应时间为10 20min，通过搅拌和超声波进行分散，再经清洗、干燥。2.原料混合按下表1所示比例，先将钨、铬、三氧化二铝、三氧化二镧、镍置于球磨罐中采用 yg8球在行星式球磨机上进行湿磨，时间20小时，转速200rpm ；再加入镀镍碳化硅晶须，进行混合，时间5小时，转速200rpm。表1晶须增韧金属陶瓷成分(wt. % )
权利要求
1.一种晶须增韧金属陶瓷材料，由金属陶瓷基体材料和镀镍碳化硅晶须组成，具体组分为30-60w %的钨、20-40w %的铬、6_20w %的三氧化二铝、0. 5_7w %的三氧化二镧、 2-18w%的镍和0. 1%的镀镍碳化硅晶须。
2.权利要求1所述的晶须增韧金属陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤(1)碳化硅晶须镀镍，将碳化硅晶须分别经过纯化、敏化、活化处理后再进行化学镀镍；(2)原料混合，先将金属陶瓷基体材料的各组分原料按照所需重量百分比置于球磨机内进行湿磨；然后按照所需重量百分比加入步骤(1)制得的镀镍碳化硅晶须进行混合；(3)热压成型，将步骤(2)混合好的原料于保护性气体中热压烧结。
3.如权利要求2所述的晶须增韧金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于上述的步骤 (2)使用的球磨机为行星式球磨机，使用的球磨罐为yg8球。
4.如权利要求2所述的晶须增韧金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于上述的步骤(2)球磨时间为15 28小时，转速200 250rpm；加入镀镍碳化硅晶须后混合球磨的时间为2 8小时，转速150 250rpm。
5.如权利要求2所述的晶须增韧金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于上述的步骤(3)热压烧结时的条件为升温速率20 55°C/min，加热到1150_1250°C时逐步加压到 10 25MPa，当烧结温度达到1350 1600°C时保温、保压，保温保压时间为25-35min，之后随炉冷却至室温，降温速率在25-35°C /min。
6.如权利要求2所述的晶须增韧金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于上述的步骤 (3)烧结保护气氛为纯氮气。
全文摘要
本发明涉及一种晶须增韧金属陶瓷材料技术领域。本发明所述的晶须增韧金属陶瓷材料由金属陶瓷基体材料和镀镍碳化硅晶须组成，具体组分为30～60w％的钨、20～40w％的铬、6～20w％的三氧化二铝、0.5～7w％的三氧化二镧、2～18w％的镍和0.1％～15w％的镀镍碳化硅晶须。本发明的晶须增韧金属陶瓷材料经检测硬度在86～92HRA，抗弯强度≥650MPa，断裂韧性≥13MPa·m1/2，抗热震稳定性1000℃下热震残余强度≥300MPa。应用于热挤压模具时，跟现有的热挤压模具相比抗开裂能力明显提高，在挤压某铜合金时平均使用寿命由55根/套提高至106根/套以上，平均使用寿命大幅提高。
文档编号C22C101/14GK102465242SQ20101053884
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者罗兵辉, 郑洪 , 黎晓桃 申请人:中南大学, 中铝上海铜业有限公司