专利名称：一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法，特别涉及一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法。
背景技术：
颗粒增强金属基复合材料是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到 兼有金属优点(韧性和塑性)和增强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。此种材料具有较高的比强度、比刚度和高温力学性能，低的热膨胀系数，良好的耐磨性和导热性能，此外还有增强体成本低，微观结构均匀，材料各向同性，可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等优点，因而与纤维增强、晶须增强金属基复合材料相比倍受关注。颗粒增强金属基复合材料在航天、航空、汽车、电子、光学等工业领域具有相当广泛的应用前景。复合材料中的弥散的硬质增强相的体积超过20%，可以体现硬质增强相的优异性能，制造方法主要有搅拌铸造法，挤压铸造法，粉末冶金法等。(I)、搅拌铸造法
搅拌铸造法是对金属熔体进行强烈搅拌，投入增强颗粒，使其均匀分布于金属熔体中，然后直接浇铸成型。此方法工艺简单，设备投资少，便于规模化生产。但存在增强颗粒体积分数受限制(一般不超过20%)，增强颗粒的分布难以实现均匀化，有气孔等缺陷，只能制成铸锭，需二次加工。参见周尧和等，《凝固技术》，机械工业出版社，1998: 389 399。(2)、粉末冶金法
粉末冶金技术又称固态金属扩散技术，此方法是将固态金属粉末和增强颗粒机械均匀混合，在一定的温度和压力条件下压制烧结成型。粉末冶金技术具有一些独特的优点，如制造温度较低，减轻了基体和增强颗粒之间的界面反应，减少了界面上硬质化合物的生成；增强颗粒的体积分数比较高；增强颗粒分布均匀，不易出现偏析和偏聚。但粉末冶金技术也存在着一些弊端，如制件的大小和形状受到一定限制；工艺程序多，制备周期长，成本高，降低成本的可能性小，尤其是昂贵的制备成本制约了粉末冶金技术的应用和发展等缺陷。参见中国专利CN1487109 “粉末冶金自生成陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法”。(3)、挤压铸造法
此法制备金属基复合材料是很成熟的一种方法。挤压铸造法首先是将增强体作成预制块，放入模具，再浇入基体合金熔液，随后加压，使基体熔液渗入预制块成锭。挤压铸造有以下优点生产周期短，易于大批量生产；可以制备出形状和最终制品的形状相同或相似的产品；液态金属浸渗的时间短，冷却速度快，可以降低乃至消除颗粒界面反应；增强相的体积分数可调范围大。但是挤压铸造不易制备形状复杂的制件，当浸渗压力很大时，对模具和所制件的完整性有很大的影响。参见Peng L M. Mechanical propertiesof ceramic - metal composites by pressure infiltration of metal into porousceramics, Materials Science and Engineering A ，2004， 374:1—9。目前在颗粒增强金属基复合材料的制备方面还存在一些问题(I)颗粒增强相的体积分数对复合材料的力学性能有非常重要的影响。但是现有工艺控制增强相的体积分数比较困难。(2)大部分复合材料中增强相是不连续的。当前的研究表明，当复合材料中的增强相和基体呈互穿网络分布结构时，可以表现出更优异的力学性能。(3)陶瓷预制体与熔融金属液润湿性差。没有外加压力，熔融金属液难以完全渗入陶瓷预制体内。
发明内容
本发明目的是改进现有金属基复合材料制备方法所存在的缺陷，提供一种具有高强度、高硬度，生产工艺简单，制备成本低，结合碳热还原法和压铸法的优点，产品性能优异的一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料。
本发明另一目的是提供氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的制备方法。为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的特殊之处在于氮化钛陶瓷预制体烧结前原料按重量份数比，由5份 95份氮化钛、O. I份 69份氧化钛、5份烧结助剂、O. I份 21份碳黑组成，其中在氮化钛陶瓷预制体中添加预制体总重量的59份 79份铜合金，所述烧结助剂为氧化钇。所述铜合金为各种型号的铸造铜合金。一种所述的氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，按下述步骤进行
(1)、按重量份数比，称取氮化钛、氧化钛、烧结助剂、碳黑；
(2)、将上述称取的各材料混合，用湿法球磨制备成混合粉末，将混合粉末干燥后过筛；将上述料装入模具型腔内，模压成型为预制体；
(3)、在6个大气压氮气气氛下以4°C/min的升温速度逐渐升温到1650°C下保温2小时，获得烧结多孔氮化钛预制体，烧结过程中始终通入流动氮气3L/min ；
(4)、压铸机与液态金属直接接触的部分涂上脱模剂，以方便脱模；
(5)、将多孔氮化钛预制体和压铸机预热至500°C 700°C，将铜合金加热至温度达到1100°C熔融状态；
(6)、当压铸机内部温度及熔融铜合金液都达到预定的温度后，将熔融铜合金液倒入放置着多孔氮化钛预制体的空腔内；
(7)、然后依靠压力机将熔融铜合金液压入多孔氮化钛预制体中，当压强达到20 40MPa压力的时候，停止加压，并保持压力10分钟，最后待铸块冷却后与模具分离；
(8)、将铸块重新溶融后去除多余铜合金。(9)、对去除多余铜合金的氮化钛预制体进行T6热处理工艺后得到复合材料，所述T6热处理工艺将产品放入马弗炉后在半小时内将炉温从室温升至500°C，并保温6小时，然后将试样取出水淬，再在180°C保温6小时消除内应力。本发明与现有技术相比，使用碳热还原法制备的多孔氮化钛陶瓷材料作为增强相的预制件，利用加压铸造技术制备了力学性能优异的氮化钛陶瓷增强铜基复合材料。相对于现有的颗粒增强金属基复合材料，具有以下优点
(I)碳热还原法制备的多孔氮化钛预制体相对密度为45-75%，可以通过控制多孔氮化钛预制体的相对密度调整氮化钛增强相的体积分数。
(2)陶瓷增强金属基复合材料的应用中，陶瓷网络骨架承载大部分的重量，本方法制备的复合材料为互穿孔网络组织，此外由于碳热还原法制备的多孔氮化钛的晶粒细小，气孔分布均匀，所以氮化钛增强相和铜合金基体分布均匀。因此，本方法制备的复合材料的微观组织优于其它工艺制备的颗粒增强铜合金复合材料。(3)因为熔融铜合金液与氮化钛陶瓷的润湿性非常差，挤压铸造法通过机械压力使熔融铜合金液强行进入多孔氮化钛预制体内气孔，压力一直保持到凝固结束。此方法不但可以克服多孔氮化钛预制体与熔融铜合金液润湿性差的不足，同时由于浸渗时间短，凝固速度快而避免氮化钛在制备复合材料的过程中与熔融铜合金液发生不良反应，施加的机械压力不但能够克服预制体内的各种阻力，而且还能使熔融铜合金液前沿的热气流排出型腔，提高了熔融铜合金液对多孔氮化钛预制体微小气孔的填充能力，使压铸后的复合材料 致密度大幅度升高。所以通过结合碳热还原法和压铸法的优点，制备的氮化钛陶瓷增强铜基复合材料具有致密度高，力学性能优异的特点。广泛用于机电类特种设备摩擦磨损结构件、承压类特种设备耐高温耐腐蚀结构件、航空航天和汽车制造等行业中。
图I为实施例I压铸前的多孔氮化钛预制体显微形貌照片；
图2为实施例I氮化钛增强铜基复合材料显微形貌照片。
具体实施例方式以下结合具体实施例对本发明内容作进一步的详细说明
实施例I
一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的氮化钛陶瓷预制体烧结前原料按重量份数比，由5份 95份氮化钛、O. I份 69份氧化钛、5份烧结助剂、O. I份 21份碳黑组成，其中在氮化钛陶瓷预制体中添加复合材料总重量的59份 79份铜合金，所述烧结助剂为氧化钇。所述铜合金为各种型号的铸造铜合金。一种所述的氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，按下述步骤进行
(1)、按重量份数比，称取氮化钛、氧化钛、烧结助剂、碳黑；
(2)、将上述称取的各材料混合，用湿法球磨制备成混合粉末，将混合粉末干燥后过筛；将上述料装入模具型腔内，模压成型为预制体；
(3)、在6个大气压氮气气氛下以4°C/min的升温速度逐渐升温到1650°C下保温2小时，获得烧结多孔氮化钛预制体，烧结过程中始终通入流动氮气3L/min ；
(4)、压铸机与液态金属直接接触的部分涂上脱模剂，以方便脱模；
(5)、将多孔氮化钛预制体和压铸机预热至500°C 700°C，将铜合金加热至温度达到1100°C熔融状态；
(6)、当压铸机内部温度及熔融铜合金液都达到预定的温度后，将熔融铜合金液倒入放置多孔氮化钛预制体的空腔内；
(7)、然后依靠压力机将熔融铜合金液压入多孔氮化钛预制体中，当压强达到20 40MPa压力的时候，停止加压，并保持压力10分钟，最后待铸块冷却后与模具分离；
(8)、将铸块重新溶融后去除多余铜合金。
(9)、对去除多余铜合金的氮化钛预制体进行T6热处理工艺后得到复合材料，所述T6热处理工艺将产品放入马弗炉后在半小时内将炉温从室温升至500°C，并保温6小时，然后将试样取出水淬，再在180°C保温6小时消除内应力。综上所述，表I为本发明的实施例2 9组成的氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的组成及制备的多孔氮化钛预制体的气孔率，用阿基米德排水法测定多孔氮化钛预制体的开气孔率。扫描电子显微镜在试样断面上观察显微组织。由上述方法获得的实施例2-9氮化钛增强铜基复合材料测定室温下的三点弯曲强度和断裂韧性，用维氏硬度仪进行显微硬度试验。这些气孔率和力学性能的性能结果如表1，2所示。实施例2 9的制备方法同实施例I。表I为本发明氮化钛多孔预制体的组成和气孔率
权利要求
1.一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料，其特征在于氮化钛陶瓷预制体烧结前原料按重量份数比，由5份 95份氮化钛、O. I份 69份氧化钛、5份烧结助剂、O. I份 21份碳黑组成，其中在氮化钛陶瓷预制体中添加复合材料总重量的59份 79份铜合金，所述烧结助剂为氧化钇。
2.根据权利要求I所述的一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料，其特征在于所述铜合金为各种型号的铸造铜合金。
3.—种如权利要求I所述的氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，按下述步骤进行 (1)、按重量份数比，称取氮化钛、氧化钛、烧结助剂、碳黑； (2)、将上述称取的各材料混合，用湿法球磨制备成混合粉末，将混合粉末干燥后过筛；将上述料装入模具型腔内，模压成型为预制体； (3)、在6个大气压氮气气氛下以4°C/min的升温速度逐渐升温到1650°C下保温2小时，获得烧结多孔氮化钛预制体，烧结过程中始终通入流动氮气3L/min ； (4)、压铸机与液态金属直接接触的部分涂上脱模剂，以方便脱模； (5)、将多孔氮化钛预制体和压铸机预热至500°C 700°C，将铜合金加热至温度达到1100°C熔融状态； (6)、当压铸机内部温度及熔融铜合金液都达到预定的温度后，将熔融铜合金液倒入放置着多孔氮化钛预制体的空腔内； (7)、然后依靠压力机将熔融铜合金液压入多孔氮化钛预制体中，当压强达到20 40MPa压力的时候，停止加压，并保持压力10分钟，最后待铸块冷却后与模具分离； (8)、将铸块重新熔融后去除多余铜合金； (9)、对去除多余铜合金的氮化钛预制体进行T6热处理工艺后得到复合材料，所述T6热处理工艺将产品放入马弗炉后在半小时内将炉温从室温升至500°C，并保温6小时，然后将试样取出水淬，再在180°C保温6小时消除内应力。
全文摘要
本发明公开了一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法，原料按重量比，由氮化钛、氧化钛、烧结助剂、碳黑组成，其中铜合金添加到预制体中，制备方法包括加热、保温、烧结、通入流动氮气即获得气孔率为45－75％的多孔氮化钛预制体；压铸机预热,同时将铜合金加温达到熔融状态；将熔融铜合金液倒入放置预制体的模腔内，通过压力机将熔融铜合金液压入多孔氮化钛预制体中，待铸块冷却后与模具分离，经热处理后得到氮化钛增强铜基复合材料。颗粒相互连接,具有密度低、比强度和比刚度高、耐磨性好、良好的导热、导电性及尺寸稳定，广泛用于机电类特种设备摩擦磨损结构件、承压类特种设备耐高温耐腐蚀结构件、航空航天和汽车制造等行业中。
文档编号C22C32/00GK102828060SQ201210274498
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者鲁元, 陈志良, 韩建军, 李京京, 贠柯 申请人:西安特种设备检验检测院