專利名稱：一種高強(qiáng)高韌耐高溫金屬陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料特別涉及陶瓷材料，具體來說是一種金屬陶瓷材料。
背景技術(shù)：
目前，擠壓是銅、鋁等金屬材料加工中不可缺少的重要手段，目前有色金屬加工行業(yè)用的擠壓模主要是鋼模和金屬陶瓷模兩種。對于變形抗力較大的銅合金則幾乎全部采用的是金屬陶瓷模(成分為W、Cr、Ni、Al2O3等)，但從使用情況來看，現(xiàn)有的金屬陶瓷模具壽命仍不盡人意，特別是擠壓白銅合金時(shí)情況更加嚴(yán)重，其平均壽命只有40～60根；另一方面，金屬陶瓷模具目前的價(jià)格相當(dāng)高。專利發(fā)明人通過詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，目前以三氧化二鋁作為陶瓷相的金屬陶瓷材料雖然高溫硬度達(dá)到要求，但由于其韌性較差，使用中熱擠壓模具容易開裂而失效，因此改善金屬陶瓷材料的韌性是提高金屬陶瓷熱擠壓模具壽命的重要途徑。
與三氧化二鋁相比，二氧化鋯雖然硬度較低，但具有較高的韌性。鋯剛玉(Al2O3·XZrO2)是一種由剛玉(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)在2000℃以上高溫合成的高強(qiáng)高韌陶瓷材料，其具有與三氧化二鋁相近的硬度，并且韌性有很大提高，能夠明顯抑制陶瓷材料中的脆性斷裂、顯著提高材料的抗熱震性能；另一方面，由于氧化鋯與鎳等金屬的潤濕性能比三氧化二鋁與金屬的潤濕性能好，因此陶瓷相中含有氧化鋯成份能夠提高陶瓷相與金屬相之間的潤濕性，從而增加界面結(jié)合強(qiáng)度，提高材料整體性能。添加La2O3、Y2O3等稀土氧化物對ZrO2的晶體穩(wěn)定性有很明顯的提高作用，并能進(jìn)一步改善陶瓷相與金屬相之間的界面結(jié)合狀況。鋯剛玉中氧化鋯含量的多少對鋯剛玉的穩(wěn)定性、硬度、韌性、抗熱震等性能有較大影響，因此如何針對特定的用途調(diào)整選擇適當(dāng)?shù)匿唲傆癯煞菔请y點(diǎn)也是問題的關(guān)鍵。以前鋯剛玉主要用于耐火材料領(lǐng)域，在噴涂方面也有少量應(yīng)用，但在高性能金屬陶瓷方面的應(yīng)用并未引起人們的足夠重視。
本發(fā)明在充分研究了鋯剛玉粉末材料性質(zhì)的基礎(chǔ)上，針對有色金屬高溫?cái)D壓模具的用途要求，通過大量試驗(yàn)，提出采用鋯剛玉(Al2O3·XZrO2)為陶瓷相原料，添加W、Cr、Ni、稀土等粘結(jié)相成份，所制備高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫金屬陶瓷材料，性能檢測表明，采用該材料制造的高溫模具材料具有良好的耐磨性能和抗熱震性能，并具有很長的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為解決現(xiàn)有金屬陶瓷熱擠壓模具材料易開裂失效、壽命短的缺點(diǎn)，提出一種金屬陶瓷材料，這種金屬陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高韌性和耐高溫的特點(diǎn)，適用于制造熱擠壓模具、高溫結(jié)構(gòu)材料、切削刀具等，可大幅度提高上述材料的強(qiáng)度、韌性及耐高溫性能，延長使用壽命。
本發(fā)明的目的是通過下述方式實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的金屬陶瓷材料包括鋯剛玉、鎢、鉻、鈷、鎳，所述的鋯剛玉占總重量的5～40％，所述的鎢占總重量的20％-80％，所述的鉻占總重量的10％-50％，所述的鈷占總重量的0.1％-20％，所述的鎳占總重量的1％-20％。
本發(fā)明的金屬陶瓷材料還包括稀土，所述稀土占總重量的0-15％。
所述的鋯剛玉是由占總重量70％-95％的三氧化二鋁和占總重量5％-30％的二氧化鋯組成。其粒度范圍為1-100μm。
本發(fā)明的金屬陶瓷材料各成分優(yōu)選的重量百分比為鋯剛玉占總重量的5～30％，所述的鎢占總重量的30％-55％，所述的鉻占總重量的20％-40％，所述的鈷占總重量的1％-5％，所述的鎳占總重量的5％-10％。
本發(fā)明金屬陶瓷材料制備工藝為配料、混合、成型、燒結(jié)、后加工；其中燒結(jié)可以采用以下三種的燒結(jié)工藝①熱壓燒結(jié)溫度1600℃-1900℃，燒結(jié)時(shí)間30-60分鐘，施加壓力1～30MPa，氣氛真空或氬氣、氮?dú)?、氫氣保護(hù)氣氛。
②熱等靜壓燒結(jié)1500℃-1900℃，壓力50-200Mpa，氣氛氬氣、氮?dú)?、氫氣保護(hù)氣氛，燒結(jié)時(shí)間3-8小時(shí)。
③真空預(yù)燒結(jié)+氣氛燒結(jié)溫度由室溫-1400℃時(shí)真空氣氛預(yù)燒結(jié)，時(shí)間2-4小時(shí)，1400℃-1900℃是氬氣、氮?dú)饣驓錃獗Ｗo(hù)下燒結(jié)，時(shí)間0.5-3小時(shí)。
由于本發(fā)明的金屬陶瓷材料可以很好地解決現(xiàn)有金屬陶瓷熱擠壓模具材料易開裂失效、壽命短的缺點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、高韌性和耐高溫的特點(diǎn)，由本發(fā)明的材料制備得到的熱擠壓模具、高溫結(jié)構(gòu)材料、切削刀具等相應(yīng)的強(qiáng)度、韌性及耐高溫性能均得到了大幅度提升，也延長了使用壽命。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，下面的例子只是符合本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容的幾個(gè)實(shí)例，并不說明本發(fā)明僅限于下述實(shí)例所述的內(nèi)容，本行業(yè)中的技術(shù)人員依照本發(fā)明權(quán)利要求項(xiàng)制造的產(chǎn)品均屬本發(fā)明內(nèi)容。
實(shí)施例1熱壓燒結(jié)工藝
1)配料W147g，Cr105g，Ni20g，Co4g，鋯剛玉粉(Al2O3·0.25ZrO2)(平均粒度100μm)18g。
2)球磨混料將配置好的粉末裝入硬質(zhì)合金球磨罐內(nèi)，用100ml乙醇作球磨介質(zhì)，球磨時(shí)間為72小時(shí)，球磨后將粉末在真空在烘干。
3)熱壓燒結(jié)把粉末裝入石墨模具中燒結(jié)，燒結(jié)在熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1800℃，燒結(jié)時(shí)間30分鐘，施加壓力20MPa，燒結(jié)在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例2熱壓燒結(jié)工藝1)配料W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.25ZrO2))(平均粒度150μm)38g。
2)球磨混料同實(shí)施例1。
3)熱壓燒結(jié)同實(shí)施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例3熱壓燒結(jié)工藝1)配料W70g，Cr145g，Ni5g，Co0.3g鋯剛玉粉((Al2O3·0.1ZrO2))(平均粒度20μm)80g。
2)球磨混料同實(shí)施例1。
3)熱壓燒結(jié)同實(shí)施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例4熱壓燒結(jié)工藝4)配料W100g，Cr90g，Ni18g，Co4g鋯剛玉粉(Al2O3·0.1ZrO2)(平均粒度20μm)88g。
5)球磨混料同實(shí)施例1。
6)熱壓燒結(jié)同實(shí)施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
對比例1熱壓燒結(jié)工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，白剛玉粉(Al2O3，平均粒度150μm)38g。
2)球磨混料同實(shí)施例1。
3)熱壓燒結(jié)同實(shí)施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例5熱等靜壓燒結(jié)工藝1)配料同實(shí)施例2。
2)球磨混料將配置好的粉末裝入硬質(zhì)合金球磨罐內(nèi)，加入15g石蠟作成型劑，用100ml乙醇作球磨介質(zhì)，球磨時(shí)間為72小時(shí)，球磨后將粉末在真空在烘干。
3)成型將粉末鋼制模具先進(jìn)行模壓，再真空包套，然后冷等靜壓成型，壓力100MPa。
4)脫膠由室溫逐漸升溫至680℃，時(shí)間6小時(shí)。
5)熱等靜壓燒結(jié)燒結(jié)溫度1600℃，壓力80MPa。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例6熱等靜壓燒結(jié)工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W111g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.1ZrO2))(平均粒度20μm)50g。
2)球磨混料同實(shí)施例1。
3)成型同實(shí)施例4。
4)脫膠同實(shí)施例4。
5)熱等靜壓燒結(jié)燒結(jié)溫度1600℃，壓力200MPa。
所制備的材料性能如表1所示。
對比例2熱等靜壓燒結(jié)工藝4)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，白剛玉粉(Al2O3，平均粒度20μm)50g。
5)球磨同實(shí)施例1。
6)熱壓燒結(jié)同實(shí)施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例7真空預(yù)燒結(jié)+氣氛燒結(jié)工藝
1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)38g。
2)球磨混料同實(shí)施例1。
3)成型同實(shí)施例4。
4)脫膠同實(shí)施例4。
5)真空燒結(jié)氣氛保護(hù)燒結(jié)在0-1300℃真空氣氛下燒結(jié)，1300℃保溫30分鐘后通氬氣保護(hù)，繼續(xù)升溫至1700℃保溫30分鐘。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例8真空預(yù)燒結(jié)+氣氛燒結(jié)工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W235g，Cr35g，Ni14g，Co1g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)15g。
2)球磨混料同實(shí)施例1。
3)成型同實(shí)施例4。
4)脫膠同實(shí)施例4。
5)真空燒結(jié)氣氛保護(hù)燒結(jié)在0-1300℃真空氣氛下燒結(jié)，1300℃保溫30分鐘后通氬氣保護(hù)，繼續(xù)升溫至1700℃保溫30分鐘。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例9真空預(yù)燒結(jié)+氣氛燒結(jié)工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W80g，Cr44g，Ni4g，Co55g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)120g。
2)球磨混料同實(shí)施例1。
3)成型同實(shí)施例4。
4)脫膠同實(shí)施例4。
5)真空燒結(jié)氣氛保護(hù)燒結(jié)在0-1300℃真空氣氛下燒結(jié)，1300℃保溫30分鐘后通氬氣保護(hù)，繼續(xù)升溫至1700℃保溫30分鐘。
所制備的材料性能如表1所示。
實(shí)施例10真空預(yù)燒結(jié)+氣氛燒結(jié)工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W80g，Cr44g，Ni55g，Co1g，La2O340g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)80g。
2)球磨混料同實(shí)施例1。
3)成型同實(shí)施例4。
4)脫膠同實(shí)施例4。
5)真空燒結(jié)氣氛保護(hù)燒結(jié)在0-1300℃真空氣氛下燒結(jié)，1300℃保溫30分鐘后通氬氣保護(hù)，繼續(xù)升溫至1700℃保溫30分鐘。
所制備的材料性能如表1所示。
對比例3真空預(yù)燒結(jié)+氣氛燒結(jié)工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，白剛玉粉(Al2O3，平均粒度20μm)38g。
2)球磨同實(shí)施例1。
3)熱壓燒結(jié)同實(shí)施例1。
所制備的材料性能如表1所示。表1實(shí)施例與對比例材料性能指標(biāo)

權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)高韌耐高溫金屬陶瓷材料，其特征在于包括鋯剛玉、鎢、鉻、鈷、鎳，所述的鋯剛玉占總重量的5～40％，所述的鎢占總重量的20％-80％，所述的鉻占總重量的10％-50％，所述的鈷占總重量的0.1％-20％，所述的鎳占總重量的1％-20％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)高韌耐高溫金屬陶瓷材料，其特征在于鋯剛玉占總重量的5～30％，所述的鎢占總重量的30％-55％，所述的鉻占總重量的20％-40％，所述的鈷占總重量的1％-5％，所述的鎳占總重量的5％-10％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)高韌耐高溫金屬陶瓷材料，其特征在于還包括稀土，所述稀土占總重量的0-15％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)高韌耐高溫金屬陶瓷材料，其特征在于鋯剛玉是由占總重量70％-95％的三氧化二鋁和占總重量5％-30％的二氧化鋯組成。
全文摘要
一種高強(qiáng)高韌耐高溫金屬陶瓷材料，適用于制造熱擠壓模具、高溫結(jié)構(gòu)材料、切削刀具等，可大幅度提高上述材料的強(qiáng)度、韌性及耐高溫性能，延長使用壽命。所述的金屬陶瓷材料由鋯剛玉及鎢、鉻、鈷、鎳、稀土組成，所述的鋯剛玉占總重量的5％～40％，所述的鎢占總重量的20％－80％，所述的鉻占總重量的10％－50％，所述的鈷占總重量的0.1％－20％，所述的鎳占總重量的1％－20％，所述稀土占總重量的0－15％；所述的鋯剛玉是由占總重量70％－95％的三氧化二鋁和占總重量5％－30％的二氧化鋯組成，所述的金屬陶瓷材料可以采用熱壓、熱等靜壓、真空燒結(jié)氣氛保護(hù)燒結(jié)工藝燒結(jié)而成。
文檔編號(hào)C04B35/00GK101041875SQ20071003481
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者李薦, 彭振文, 易丹青, 黃亮, 姜媛媛 申請人:中南大學(xué)