一种固溶强化金属陶瓷及其制备方法

1.本发明涉及粉末冶金领域，具体涉及一种固溶强化金属陶瓷及其制备方法。


背景技术：

2.ti(c,n)基金属陶瓷以其高硬度、优异的耐磨性、低摩擦系数以及良好的热稳定性等优点广泛应用于刀具材料。然而和wc-co硬质合金相比，金属陶瓷组分较多，在烧结过程中组织均匀化程度及界面润湿性不足，致使其横向断裂强度和韧性相对较低，极大地限制了其应用范围。


技术实现要素：

3.针对上述情况，本发明提供一种固溶强化金属陶瓷，通过对金属粘接相固溶处理增加其活性，既能降低烧结温度，也能改善金属粘接相对陶瓷颗粒的润湿性，并且在金属粘接相和陶瓷相间可形成纳米厚度的固溶体薄层，阻碍硬质相颗粒的异常长大，从而获得晶粒细小、组织均匀且性能优异的ti(c,n)基金属陶瓷，其制备工艺简单，成本较低。
4.本发明的另一目的是提供上述固溶强化金属陶瓷的制备方法。
5.为了达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
6.一种固溶强化金属陶瓷，其特征在于：所述金属陶瓷包括(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相与金属粘接相，金属粘接相为ni基固溶体，ni基固溶体内含有ni和m元素，m为w、mo、ti、cr及si中的一种或多种。
7.进一步的，所述(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相由内至外包括芯相、内环相与外环相三层，在外环相与粘接相之间存在固溶体薄层，固溶体薄层厚度为1～20nm。
8.进一步的，固溶强化金属陶瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
9.步骤1：ni基固溶体粉末制备：将ni粉与w、mo、ti、cr及si中的一种或多种粉末按设计成分配料，其中w、mo、ti、cr及si粉末的总重量百分比为1％～20％；将配置好的混合粉末在行星式球磨机上进行机械合金化，其中球料比10:1～30:1，球磨速度200～500rpm，球磨时间12～90h，球磨过程采用ar保护；
10.步骤2：混料：将ni基固溶体粉末与(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：30～40％，tin：5～15％，wc：5～15％，cr3c2：0～5％，mo：5～15％，c：0～2％，ni基固溶体：8～55％；其中球料比5:1～10:1，球磨速度100～300rpm，球磨时间2～48h，球磨介质为乙醇；
11.步骤3：干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为70～110℃；
12.步骤4：模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为200～400mpa，保压时间为10～120s；
13.步骤5：脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度300-400℃，保温时间1-10h；
14.步骤6：烧结：将脱完脂的样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，
烧结温度为1380～1420℃，保温时间为1h。
15.进一步的，所制备的金属陶瓷抗弯强度：1800～2537mpa，断裂韧性：12～18.33mpa
·m1/2
，洛氏硬度：88～92hra。
16.本发明通过对金属粘接相的固溶处理提高活性，降低烧结温度，在金属粘接相和(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相之间形成纳米薄膜阻碍晶粒长大，改善润湿性，从而获得组织成分均匀、高强度、高硬度的金属陶瓷材料。
附图说明
17.图1为本发明实施例1制备的金属陶瓷的tem图。
18.图2为本发明实施例1制备的金属陶瓷的显微组织演示图。
19.图中：1-芯相，2-内环相，3-外环相，4-固溶体薄膜，5-金属粘接相。
具体实施方式
20.实施例1：
21.1)ni基固溶体粉末制备：将ni粉与ti粉按质量百分比97:3配置成混合粉末，随后在行星式球磨机上进行机械合金化，其中球料比10:1，球磨速度200rpm，球磨时间12h，球磨过程采用ar保护。
22.2)混料：将ni基固溶体粉末与(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：30％，tin：5％，wc：5％，mo：5％，ni基固溶体：55％；其中球料比5:1，球磨速度100rpm，球磨时间2h，球磨介质为乙醇。
23.3)干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为70℃；
24.4)模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为200mpa，保压时间为10s；
25.5)脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度300℃，保温时间1h；
26.6)烧结：将脱脂样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，烧结温度为1380℃，保温时间为1h。
27.所制备固溶强化金属陶瓷主要力学性能以及固溶体薄膜厚度如表1所示。
28.实施例2：
29.1)ni基固溶体粉末制备：将ni粉与ti、cr粉按质量百分比94:3:3配置成混合粉末，随后在行星式球磨机上进行机械合金化，其中球料比30:1，球磨速度500rpm，球磨时间90h，球磨过程采用ar保护。
30.2)混料：将ni基固溶体粉末与(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：40％，tin：15％，wc：15％，mo：15％，cr3c2：5％，c：2％，ni基固溶体：8％。其中球料比10:1，球磨速度300rpm，球磨时间48h，球磨介质为乙醇。
31.3)干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为110℃；
32.4)模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为400mpa，保压时间
为120s；
33.5)脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度400℃，保温时间10h；
34.6)烧结：将脱脂样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，烧结温度为1420℃，保温时间为1h。
35.所制备固溶强化金属陶瓷主要力学性能以及固溶体薄膜厚如表1所示。
36.实施例3：
37.1)ni基固溶体粉末制备：将ni粉与ti、si粉按质量百分比80:12:8配置成混合粉末，随后在行星式球磨机上进行机械合金化，其中球料比20:1，球磨速度400rpm，球磨时间50h，球磨过程采用ar保护。
38.2)混料：将ni基固溶体粉末与(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：30％，tin：10％，wc：15％，mo：15％，cr3c2：2％，ni基固溶体：28％。其中球料比7:1，球磨速度220rpm，球磨时间48h，球磨介质为乙醇。
39.3)干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为90℃；
40.4)模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为300mpa，保压时间为60s；
41.5)脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度350℃，保温时间5h；
42.6)烧结：将脱脂样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，烧结温度为1400℃，保温时间为1h。
43.所制备固溶强化金属陶瓷主要力学性能以及固溶体薄膜厚如表1所示。
44.实施例4：
45.1)ni基固溶体粉末制备：将ni粉与ti、w、si粉按质量百分比90:5:2:3配置成混合粉末，随后在行星式球磨机上进行机械合金化，其中球料比20:1，球磨速度350rpm，球磨时间48h，球磨过程采用ar保护。
46.2)混料：将ni基固溶体粉末与(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：30％，tin：12％，wc：15％，mo：10％，cr3c2：1％，c：1％，ni基固溶体：31％。其中球料比7:1，球磨速度250rpm，球磨时间48h，球磨介质为乙醇。
47.3)干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为85℃；
48.4)模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为300mpa，保压时间为80s；
49.5)脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度320℃，保温时间1h；
50.6)烧结：将脱脂样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，烧结温度为1395℃，保温时间为1h。
51.所制备固溶强化金属陶瓷主要力学性能以及固溶体薄膜厚如表1所示。
52.实施例5：
53.1)ni基固溶体粉末制备：将ni粉与ti粉按质量百分比99:1配置成混合粉末，随后在行星式球磨机上进行机械合金化，其中球料比20:1，球磨速度350rpm，球磨时间48h，球磨过程采用ar保护。
54.2)混料：将ni基固溶体粉末与(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：30％，tin：12％，wc：15％，mo：8％，cr3c2：1％，c：1％，ni基固溶体：33％。其中球料比8:1，球磨速度220rpm，球磨时间48h，球磨介质为乙醇。
55.3)干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为89℃；
56.4)模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为300mpa，保压时间为80s；
57.5)脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度370℃，保温时间1.5h；
58.6)烧结：将脱脂样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，烧结温度为1390℃，保温时间为1h。
59.所制备固溶强化金属陶瓷主要力学性能以及固溶体薄膜厚如表1所示。
60.实施例6：
61.1)ni基固溶体粉末制备：将ni粉与mo、si粉按质量百分比99:0.5:0.5配置成混合粉末，随后在行星式球磨机上进行机械合金化，其中球料比20:1，球磨速度350rpm，球磨时间48h，球磨过程采用ar保护。
62.2)混料：将ni基固溶体粉末与(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：30％，tin：12％，wc：15％，mo：8％，cr3c2：1％，c：1％，ni基固溶体：33％。其中球料比8:1，球磨速度220rpm，球磨时间48h，球磨介质为乙醇。
63.3)干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为89℃；
64.4)模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为300mpa，保压时间为80s；
65.5)脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度370℃，保温时间1.5h；
66.6)烧结：将脱脂样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，烧结温度为1390℃，保温时间为1h。
67.所制备固溶强化金属陶瓷主要力学性能以及固溶体薄膜厚如表1所示。
68.对比例1：
69.1)混料：将ni粉和(ti,w)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：30％，tin：12％，wc：15％，mo：8％，cr3c2：1％，c：1％，ni：33％。其中球料比8:1，球磨速度220rpm，球磨时间48h，球磨介质为乙醇。
70.2)干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为89℃；
71.3)模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为300mpa，保压时间为80s；
72.4)脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度370℃，保温时间1.5h；
73.5)烧结：将脱脂样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，烧结温度为1390℃，保温时间为1h。
74.所制备金属陶瓷主要力学性能以及固溶体薄膜厚如表1所示。
75.对比例2：
76.1)混料：将ni3ti粉末与(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相的原料粉末在行星式球磨机上进行球磨混料，其中(ti,m)(c,n)陶瓷硬质相中各粉末重量百分比为tic：30％，tin：12％，wc：15％，mo：8％，cr3c2：1％，c：1％，ni3ti：33％。其中球料比8:1，球磨速度220rpm，球磨时间48h，球磨介质为乙醇。
77.2)干燥：将球磨后的混合粉末在真空干燥箱中烘干，温度为89℃；
78.3)模压成形：将干燥后的粉末过筛后进行模压成型，压制压力为300mpa，保压时间为80s；
79.4)脱脂：将压坯放在真空烧结炉中进行脱脂，真空度不高于1
×
10-1
pa，脱脂温度370℃，保温时间1.5h；
80.5)烧结：将脱脂样品放在真空烧结炉中进行烧结，真空度高于1
×
10-1
pa，烧结温度为1415℃，保温时间为1h。
81.所制备金属陶瓷主要力学性能以及固溶体薄膜厚如表1所示。
82.表1各实施例及对比例性能
83.