一種金屬陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高強度、高硬度、抗銹性能好的金屬陶瓷及其制備方法，其具有高強度和高硬度，同時潮濕大氣、水及溶液等環(huán)境中具有較好的抗銹性。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼基金屬陶瓷是一種以陶瓷相和以鋼為粘結(jié)基體的復(fù)合材料，其性能介于普通硬質(zhì)合金和鋼鐵之間，同時具有一系列其他優(yōu)點，使其在許多領(lǐng)域得到廣泛的使用。但是多數(shù)鋼基金屬陶瓷在潮濕大氣、水及溶液等環(huán)境中容易發(fā)生氧化，材料在存放、運輸、使用過程遭到破壞，使得材料的性能急劇下降，甚至報廢，復(fù)合材料在某些領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。雖然許多學(xué)著也曾制備過不銹粘結(jié)合金的金屬陶瓷復(fù)合材料，由于原材料材料及工藝選擇不當(dāng)，使得綜合性能較差。如徐開鴻等(徐開鴻，李坤達.機械合金化制備TiC彌散增強440C不銹鋼復(fù)合材料.粉末冶金材料科學(xué)與工程.2008, 13 (2):457-462)利用TiC增強440C不銹鋼，含TiC為40wt%的復(fù)合材料抗彎強度為< 1200MPa、硬度< 60HRC。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是針對現(xiàn)有的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料在潮濕大氣、水及溶液等環(huán)境中存在抗銹性能不足的情況下，提供一種具有較高強度、高強度并具有較好抗銹性能的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料，延長了鋼基金屬陶瓷在某些領(lǐng)域的使用壽命并拓寬了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0004]本發(fā)明的金屬陶瓷包括陶瓷相和鋼基粘結(jié)合金，其化學(xué)組成按照質(zhì)量百分數(shù)計算:陶瓷是由碳化物、碳化鈦和碳化鉬組成；陶瓷的質(zhì)量分數(shù)為40-60%，其中碳化鎢、碳化鈦、碳化釩和Mo2C的粒徑分別是0.25-6 μ m、2-15 μ m，2-10 μ m和2-10 μ m，碳化鎢、碳化釩和Mo2C含量分別占陶瓷總質(zhì)量的5-20 %、0.2-1.0 %、5-10 % ;余量是粘結(jié)劑合金，其組成為 Mn:0.8-1.2wt%, S1:0.8-1.2wt%, Cr:15.0-18.0wt %, N1:3.0-6.0wt %,Cu:3.0-6.0wt %, Nb+Ta: 0.4-0.8wt %, C:0.5-0.7wt %,稀土元素 < 0.6wt %，雜質(zhì)< 0.07wt%，其余為Fe，其中基體合金原料粉的粒徑為-300目。
[0005]本發(fā)明的金屬陶瓷的制備工藝，主要包括以下過程:
[0006]I按照質(zhì)量百分比，稱量0.25-6 μ m的碳化鎢粉、2_15 μ m的碳化鈦粉、2_10 μ m的碳化釩粉和2-10 μ m的Mo2C粉和-300目的合金原料粉，其中陶瓷相占復(fù)合材料的質(zhì)量分數(shù)為40-60 %，碳化鎢、碳化釩和Mo2C含量分別占陶瓷總質(zhì)量的5-20 %、0.2-1.0 %、5_10 %。
[0007]2將上述粉末放入行星球磨機(不銹鋼求和不銹鋼罐)，按照球料比4:1?10:1進行混料研磨，控制劑和粉料的質(zhì)量比為500-750ml/kg，球磨時間6_24h，獲得原料混合粉；
[0008]3球磨完的混合濕粉用水蒸氣在真空條件下進行干燥，干燥的混合粉用篩子進行篩分、摻膠，將摻膠的混合粉再次進行篩分，然后在300-600MPa下壓制成形；
[0009]4壓坯在1390-1430°C、5-10MPa下進行低壓燒結(jié)，經(jīng)過固溶強化(1030-1050°C、油冷)，低溫退火(810-830°C、空冷)和時效處理(520-580°C、以3_8°C /min的冷卻速度冷卻至室溫)得到具有高強度、高硬度和不易銹的金屬陶瓷陶瓷復(fù)合材料。
[0010]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的金屬陶瓷具有較高的力學(xué)性能，同時粘結(jié)合金基體可以有效的改善復(fù)合材料在大氣、蒸汽、水等介質(zhì)中的抗銹性能。
[0011]本發(fā)明可選用不同粒徑原料粉，利用原料粉的韌性不同，配合不同的球料比和球磨時間，得到所需要的顆粒尺寸，達到不同的綜合性能。本發(fā)明中粘結(jié)合金碳含量較低，且N1、Cr含量高，是材料具有較好的耐蝕性能的基礎(chǔ)。同時添加稀土元素和含量較高的Cu、Nb、W、Ti等，其中稀土元素能降低產(chǎn)品的表面宏觀應(yīng)力，還可在硬質(zhì)相和粘結(jié)合金之間形成吸附膜，降低擴散運動的自由程，同時可與的雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，沉降與晶界間，進行凈化與質(zhì)點強化，達到可以阻礙晶粒長大、提高金屬陶瓷的致密度及力學(xué)性能；Cu、Nb、W、Ti等經(jīng)過燒結(jié)和熱處理析出ε -Cu、NbC、M23C6等相，這些析出相能提高粘結(jié)合金的強度和硬度，同時減少含鉻碳化物對材料抗銹性能的不良影響。
[0012]本發(fā)明的金屬陶瓷在抗銹性能好的粘結(jié)合金的基礎(chǔ)上添加TiC、WC等陶瓷，陶瓷中有些顆粒在燒結(jié)過程中會形成晶粒尺寸比較細小的組織，這些細小的顆粒能提高基體抗銹性能，即得到抗銹性較好的金屬陶瓷復(fù)合材料；金屬陶瓷中的陶瓷相低壓燒結(jié)過程中較普通真空燒結(jié)具有更小的長大趨勢，從而保持小顆粒的形態(tài)，同時低壓燒結(jié)過程能提高陶瓷相和粘結(jié)合金界面強度，還能促進金屬陶瓷的致密化，從而提高材料的性能。因此，本發(fā)明能得到較高的強度和硬度，同時具有較好的抗銹性能的金屬陶瓷復(fù)合材料。
【具體實施方式】
[0013]實施例1:按照粘結(jié)劑合金含量為6(^%稱量粉末:Mn:1.20wt%, S1:1.20wt%,Cr:18wt%, Ni:6wt%, Cu:6wt%, Nb+Ta:0.8wt%, C:0.7wt%，稀土元素:0.6%其余為 Fe。0.6 μ m的碳化媽、3 μ m的碳化鈦、3 μ m的碳化f凡和3 μ m的Mo2C,碳化媽、碳化I凡和Mo2C的含量占陶瓷總質(zhì)量的15%、0.8%和8%。將配好的粉末放入行星球磨機中進行混料研磨6h，其中球料比為4:1，以酒精為過程控制劑，控制劑和粉料的質(zhì)量比為750ml/Kg ;球磨后的粉用水蒸氣在真空下干燥；將干燥的粉過篩、摻膠、干燥、過篩；最后在350Mpa下進行壓制，1390°C、6MPa下進行低壓燒結(jié)，燒結(jié)時間為0.5h，經(jīng)過1050°C X Ih固溶處理(油冷)、8300C X0.5h低溫退火(空冷)和570°C X4h時效處理(以4°C /min的冷卻速度冷卻至室溫)得到硬度多64HRC、抗彎強度多2000MPa、抗銹性能好的金屬陶瓷復(fù)合材料。
[0014]實施例2:按照粘結(jié)劑合金含量為50被％稱量粉末:Mn:1.20wt%, S1:1.0Owt
Cr:17wt%, Ni:5wt%, Cu:5wt%, Nb+Ta:0.6wt%, C:0.6wt%，稀土元素:0.5%其余為 Fe。2 μ m的碳化媽、6 μ m的碳化鈦、6 μ m的碳化I凡和5 μ m的Mo2C,碳化媽、碳化I凡和Mo2C的含量占陶瓷總質(zhì)量的10%、0.5%和5%。將配好的粉末放入行星球磨機中進行混料研磨12h，其中球料比為10:1，以酒精為過程控制劑，控制劑和粉料的質(zhì)量比為500ml/Kg ;球磨后的粉用水蒸氣在真空下干燥；將干燥的粉過篩、摻膠、干燥、過篩；最后在400Mpa下進行壓制，1400°C、8MPa下進行低壓燒結(jié)，燒結(jié)時間為lh，經(jīng)過1040°C X Ih固溶處理(油冷)、8200C X0.5h低溫退火(空冷)和550°C X3h時效處理(以5°C /min的冷卻速度冷卻至室溫)得到硬度多68HRC、抗彎強度多1700MPa、抗銹性能好的金屬陶瓷復(fù)合材料。
[0015]實施例3:按照粘結(jié)劑合金含量為40被％稱量粉末:Mn:1.20wt%, S1:1.20wt%,Cr: 16wt %，Ni:6wt %，Cu:6wt %，Nb+Ta: 0.6wt %, C:0.6wt %，其余為。5 μ m 的碳化媽、10 μ m的碳化鈦、10 μ m的碳化釩和8 μ m的Mo2C,碳化鎢、碳化釩和Mo2C的含量占陶瓷總質(zhì)量的10%、0.5%和5%。將配好的粉末放入行星球磨機中進行混料研磨24h，其中球料比為8:1、以酒精為過程控制劑，控制劑和粉料的質(zhì)量比為600ml/Kg ;球磨后的粉用水蒸氣在真空下干燥；將干燥的粉過篩、摻膠、干燥、過篩；最后在500Mpa下進行壓制，1430°C、10MPa下進行低壓燒結(jié)，燒結(jié)時間為lh，經(jīng)過1030°C X Ih固溶處理(油冷)、820°C X0.5h低溫退火(空冷)和530°C X 3h時效處理(以6°C /min的冷卻速度冷卻至室溫)得到硬度彡70HRC、抗彎強度多1500MPa、抗銹性能好的金屬陶瓷復(fù)合材料。
[0016]實施例4:按照粘結(jié)劑合金含量為50被％稱量粉末:Mn:1.0wt %, S1:1.0wtCr:17wt%, Ni:5wt%, Cu:5wt%, Nb+Ta:0.8wt%, C:0.7wt%,其余為 Fe。0.6 μm 的碳化媽、10 μ m的碳化鈦、8 μ m的碳化釩和6 μ m的Mo2C,碳化鎢、碳化釩和Mo2C的含量占陶瓷總質(zhì)量的10%、0.5%和8%。將配好的粉末放入行星球磨機中進行混料研磨12h，其中球料比為6:1、以酒精為過程控制劑，控制劑和粉料的質(zhì)量比為500ml/Kg ;球磨后的粉用水蒸氣在真空下干燥；將干燥的粉過篩、摻膠、干燥、過篩；最后在350Mpa下進行壓制，1410°C,SMPa下進行低壓燒結(jié)，燒結(jié)時間為lh，經(jīng)過1040°C X Ih固溶處理(油冷)、820°C X0.5h低溫退火(空冷)和550°C X3h時效處理(以5°C /min的冷卻速度冷卻至室溫)處理得到硬度^ 67HRC、抗彎強度多1800MPa、抗銹性能好的金屬陶瓷復(fù)合材料。
【主權(quán)項】
1.一種金屬陶瓷，其特征在于包括陶瓷相和粘結(jié)合金，成分質(zhì)量百分比為: 陶瓷相質(zhì)量分數(shù)為40-60 % ;余量是粘結(jié)合金，所述粘結(jié)合金組成為Mn:0.8-1.2wt %，Si:0.8-1.2wt %，Cr: 15.0-18.0wt %，N1:3.0-6.0wt %，Cu:3.0-6.0wt %，Nb+Ta: 0.4-0.8wt%, C:0.5-0.7wt%,稀土元素< 0.6wt%,雜質(zhì) < 0.07wt%,其余為 Fe ； 所述陶瓷相包括碳化鈦、碳化鎢、碳化釩和Mo2C,其粒度分別是2-15 μπι、0.25-6 μπκ2-10 μπι和2-10 μπι，其中碳化鎢、碳化釩和Mo2C含量分別占陶瓷總質(zhì)量的5_20%、0.2-1.0%, 5-10 %，其余為碳化鈦。2.一種制備權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷的方法，其特征在于包括如下步驟: a)按照質(zhì)量百分比，稱量0.25-6 μπι的碳化鎢粉、2-15 μπι的碳化鈦粉、2-10 μπι的碳化釩粉和2-10 μ m的Mo2C粉和-300目的合金原料粉； b)將上述粉末放入行星球磨機，按照球料比4:1?10:1進行混料研磨，控制劑和粉料的質(zhì)量比為500-750ml/kg，球磨時間6?24h，獲得原料混合粉； c)球磨完的混合濕粉用水蒸氣在真空條件下進行干燥，干燥的混合粉用篩子進行篩分、摻膠，將摻膠的混合粉再次進行篩分，然后在300-600MPa下壓制成形； d)壓坯在1390-1430°C、5-10MPa進行低壓燒結(jié)，燒結(jié)時間為0.5_lh ； e)經(jīng)過固溶強化，低溫退火和時效處理，得到具有高強度、高硬度和防銹的金屬陶瓷。3.如權(quán)利要求2所述的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于步驟e)中固溶強化的條件是1030-1050°C、油冷，低溫退火的條件是810-830°C、空冷，時效處理的條件是520_580°C、以3-8°C /min的冷卻速度冷卻至室溫。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高強度、高硬度、抗銹性能好的金屬陶瓷，包括陶瓷相和粘結(jié)合金，陶瓷相是由碳化鎢、碳化鈦、碳化釩和Mo2C組成，陶瓷的含量為40-60wt％，余量是粘結(jié)合金，其組成為Mn：0.8-1.2wt％，Si：0.8-1.2wt％，Cr：15.0-18.0wt％，Ni：3.0-6.0wt％，Cu：3.0-6.0wt％，Nb+Ta:0.4-0.8wt％，C：0.5-0.7wt％，稀土元素≤0.6wt％，雜質(zhì)≤0.07wt％，其余為Fe。采用粉末冶金方法制備，最后經(jīng)過固溶強化、低溫退火和時效處理得到金屬陶瓷復(fù)合材料。本發(fā)明制備的金屬陶瓷硬度高、強度高，同時在潮濕大氣、水及溶液等環(huán)境中具有較好的抗銹性。
【IPC分類】C22C29/06, C22C30/02, C22C1/05, C22C38/48, C22C33/02
【公開號】CN105177390
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】林濤, 王志, 邵慧萍, 金鐘鈴, 韓宇超, 何新波
【申請人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月28日