專利名稱：高TiC含量鐵基金屬陶瓷材料的燒結(jié)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵基金屬陶瓷材料的制備方法，特別是涉及一種高TiC含量的鐵基金屬陶瓷材料燒結(jié)制備方法。
背景技術(shù)：
由于鎢和鈷資源的限制，許多西方國家重點(diǎn)發(fā)展以TiC陶瓷為增強(qiáng)相，鎳和鎳合金為粘結(jié)相的無鎢鈷硬質(zhì)合金，并得到了批量生產(chǎn)。95%的貧鎢國家都逐漸使用TiC - Ni 系金屬陶瓷來替代鎢鈷硬質(zhì)合金。用資源更為豐富，價(jià)格更低廉的鐵和鐵合金作為粘合相的金屬陶瓷則是未來研究的發(fā)展方向。這對于象我國這樣鎳資源并不豐富的國家，開發(fā)鐵基金屬陶瓷的意義就更大。用鐵基粘合相代替鎳基粘合相，大大降低了鐵基金屬陶瓷的制備成本。其制備成本只有鎳基金屬陶瓷的一半。為金屬陶瓷的大規(guī)模商業(yè)推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于鐵的化學(xué)活性較鈷和鎳高，更易于氧化，其與TiC的潤濕性也較鎳和鈷差，加上液相燒結(jié)溫度較鎳基金屬陶瓷要高不少，目前國內(nèi)外發(fā)展的鐵基金屬陶瓷的性能尚不理想，特別是關(guān)鍵指標(biāo)孔隙度過大，嚴(yán)重制約了其在航天、航海、軍工等行業(yè)特殊工況下的應(yīng)用。在低TiC含量(40wt%以下)的鐵基金屬陶瓷，由于這類鐵基金屬陶瓷可以通過高溫鍛造工藝來消除燒結(jié)后的基體組織中存在著一定數(shù)量的孔洞，然后通過熱處理工藝來獲得高硬度。但是這類鐵基金屬陶瓷雖然室溫具有很高的硬度，但是高溫強(qiáng)度和硬度卻顯得不足，這就難以發(fā)揮出金屬陶瓷的優(yōu)勢。這類鐵基金屬陶瓷我國有GT35和R5 (TiC陶瓷含量分別為35襯％和40wt%)兩種牌號，其在退火態(tài)的硬度分別只有HRC46和HRC48，難以滿足高溫(如高速切削)需求。對于TiC含量超過45wt%以上的鐵基金屬陶瓷，由于燒結(jié)孔隙率難以降低，材料性能難以滿足應(yīng)用需求，至今國內(nèi)外尚未有得到實(shí)際應(yīng)用的報(bào)到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高TiC含量的鐵基金屬陶瓷材料的燒結(jié)制備方法。經(jīng)過大量的試驗(yàn)和優(yōu)化，得到了鐵基粘結(jié)相的最佳成份，使得鐵基粘結(jié)相在高溫?zé)Y(jié)或合成時(shí)， 能夠與TiC陶瓷相充分潤濕，即使在高TiC陶瓷含量的情況下，也能獲得接近完全致密的鐵
基金屬陶瓷。本發(fā)明高TiC含量鐵基碳化鈦金屬陶瓷的燒結(jié)制備方法是這樣的(大于45wt% 的TiC含量)。鐵基金屬陶瓷的成份配方為TiC為45wt% — 80wt%，鐵基粘結(jié)相的含量在 20wt% — 55wt% ；其中鐵基粘結(jié)相的成份為! 為 65 wt% - 80wt% ,Mo ^ 1 wt%-5wt%, Ni ^ 2 wt%- 10wt%, Mn % 0wt%- 10wt%, Cr % 10 wt%- 22wt%, Ti ^ 0 wt%-2. 5wt%，Si為02. 5wt%。將以上配方配好的鐵基金屬陶瓷粉末在混合均勻后，被壓制的10 χ 10 χ 2厘米的毛坯；然后將毛坯放入真空爐中，抽真空；接著以10°C /min的速率升溫至200°C ；保溫10分鐘；然后接著以10°C /min的速率升溫至400°C，再保溫10 分鐘；就這樣以10°C/min的速率升溫，每隔200°C，保溫10分鐘，直至燒結(jié)溫度1450°C ； 燒結(jié)4小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫，就可獲得完全致密的金屬陶瓷。
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為了減少了鐵粉在鐵基金屬陶瓷燒結(jié)過程中的氧化，提高制備出鐵基金屬陶瓷的性能，鐵基粘結(jié)相中的鐵可用不銹鋼粉替代加入。上述鐵基金屬陶瓷的成份配方中，TiC的部分可用TiN代替，TiN的代替量不超過 TiC 的 5wt%0由于本發(fā)明可以大大改善鐵基粘結(jié)相與碳化鈦陶瓷相之間的潤濕性，使得鐵基粘結(jié)相與碳化鈦陶瓷在高溫?zé)Y(jié)時(shí)能夠充分潤濕，從而可以獲得完全致密的鐵基金屬陶瓷。 制備的金屬陶瓷中的TiC含量高，其硬度硬，耐磨性和高速切削性能好，而且其比重低，適宜在高速切削刀具，高溫高速軸承和齒輪，坦克裝甲，航空航天部件，及其它高溫耐磨零件上應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一鐵基金屬陶瓷的配方50襯％的400目TiC粉Je粉為39wt%，Mo粉為 Iwt %，Ni粉為，Cr粉為5wt%，Si粉為Iwt %，以上金屬粉的粒度均為200目。配好的粉末在混合均勻后，首先被壓制的10 χ 10 χ 2厘米的毛坯；然后將毛坯放入真空爐中； 然后，抽真空；接著以10°C /min的速率升溫至200°C ；保溫10分鐘；然后接著以10°C /min 的速率升溫至400°C，在保溫IOmin ；就這樣以10°C /min的速率升溫，每隔200°C，保溫 IOmin,直至燒結(jié)溫度1450°C，燒結(jié)4小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫，就可獲得完全致密的金屬陶瓷。金屬陶瓷硬的度達(dá)HRC67，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)lOOOMPa，彈性模量為250GPa，密度約為 5. 67g/cm3,斷裂韌性為7. 5MPa. m_"2左右。此例中鐵基粘結(jié)相的成份是Je含量為78wt%， Mo含量為2wt%，Ni含量為8. 9wt%，Cr含量為IOwt%，Si含量為2wt%。TiC陶瓷相為 50wt%。實(shí)施例二 鐵基金屬陶瓷的配方400目的TiC粉和TiN粉分別為50襯％和5襯％ ，201不銹鋼粉為40wt%，Mo粉為2wt%，Ni粉為2wt%，Ti粉為lwt%。以上金屬粉的粒度均為200目。配好的粉末在混合均勻后，首先被壓制的10 χ 10 χ 2厘米的毛坯；然后將毛坯放入真空爐中；然后，抽真空；接著以10°C /min的速率升溫至200°C ；保溫10分鐘； 然后接著以10°C /min的速率升溫至400°C，在保溫IOmin ；就這樣以10°C /min的速率升溫，每隔200°C，保溫lOmin，直至燒結(jié)溫度1450°C，燒結(jié)4小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫，就可獲得完全致密的金屬陶瓷。金屬陶瓷硬的度達(dá)HRC69，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)900MPa，彈性模量為 270GPa，密度約為5. 65g/cm3,斷裂韌性為7. IMPa. m_"2左右。本例中，鐵基粘結(jié)相采用201 不銹鋼粉，鈦粉，鉻粉，鉬粉的混合物。這里采用不銹鋼粉替代鐵粉的好處是，大大減少了鐵粉在鐵基金屬陶瓷燒結(jié)過程中的氧化，從而提高制備出鐵基金屬陶瓷的性能。此例中，制備出的鐵基金屬陶瓷的實(shí)際成份為=TiC和TiN陶瓷相的含量為55wt%，鐵基粘結(jié)相成份大致為Fe的含量為70wt %，Mo含量為4. 4wt %，Ni含量為5 wt%, Mn含量為7. 5wt %，Cr含量為 17. 5wt%, Ti 含量為 2. 2wt%。實(shí)施例三鐵基金屬陶瓷的配方400目的TiC粉和TiN粉分別為70襯％和5襯％ ，粉為 17wt%，Mo 粉為 1. 25wt%，Ni 粉為 2wt%，Cr 粉為 3. 75wt%，Ti 粉為 lwt%。以上金屬粉的粒度均為200目。配好的粉末在混合均勻后，首先被壓制的10 χ 10 χ 2厘米的毛坯；然后將毛坯放入真空爐中抽真空；接著以10°C /min的速率升溫至200°C ；保溫10 分鐘；然后接著以10°C /min的速率升溫至400°C，在保溫IOmin ；就這樣以10°C /min的速率升溫，每隔200°C，保溫lOmin，直至燒結(jié)溫度1450°C，燒結(jié)4小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫，就可獲得完全致密的金屬陶瓷。金屬陶瓷硬的度達(dá)HRC74，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)900MPa，彈性模量為300GPa，密度約為5. 6g/cm3,斷裂韌性為6. IMPa. m_"2左右。此例中鐵基粘結(jié)相的成份是Je含量為72wt %，Mo含量為5wt %，Ni含量為8wt %，Cr含量為15wt %，Ti含量為#t%。TiC和TiN陶瓷相含量為75wt% .
實(shí)施例四鐵基粘結(jié)相中鐵組分采用304不銹鋼方式加入。具體配方如下400目的TiC粉和TiN粉分別為55和5wt %，304不銹鋼粉為36wt %，Ti粉為Iwt %，Mo粉為 Iwt%, Cr粉為1. 5wt%, Si為0. 5wt%。以上金屬粉的粒度均為200目。配好的粉末在混合均勻后，首先被壓制的10 χ 10 χ 2厘米的毛坯；然后將毛坯放入真空爐中抽真空；接著以10°C /min的速率升溫至200°C ；保溫10分鐘；然后接著以10°C /min的速率升溫至 400°C,在保溫IOmin ；就這樣以10°C/min的速率升溫，每隔200°C，保溫lOmin，直至燒結(jié)溫度1450°C，燒結(jié)4小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫，就可獲得完全致密的金屬陶瓷。金屬陶瓷硬的度達(dá)HRC72，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)900MPa，彈性模量為290GPa，密度約為5. 61g/cm3，斷裂韌性為6. 5MPa. 左右。此例實(shí)際制備出的鐵基金屬陶瓷成份應(yīng)該是TiC和TiN陶瓷相為60wt%，鐵基粘結(jié)相為40wt%，其中鐵基粘結(jié)相的成份大致為Te為67wt%，Mo為 2. 5wt%, Ni 為 7. 25wt%, Cr 為 21. 5wt%, Si 為 1. 25wt%禾口 Ti 為 2. 5wt%0
權(quán)利要求
1.一種高TiC含量的鐵基金屬陶瓷材料的燒結(jié)制備方法，其特征在于所述鐵基金屬陶瓷材料的配方為鐵基金屬陶瓷的成份配方為=TiC為45wt% — 80wt%，鐵基粘結(jié)相的含量在55wt% ；其中鐵基粘結(jié)相的最佳成份為Te為65 wt%- 80wt%, Mo為1 wt%- 5wt%, Ni 為 2 wt%- IOwt%, Mn 為 Owt%- IOwt%, Cr 為 10 wt%- 22wt%, Ti 為0 2. 5wt%，Si為02. 5wt%，將以上配方配好的鐵基金屬陶瓷粉末在混合均勻后，被壓制成10 χ 10 χ 2厘米的毛坯；然后將毛坯放入真空爐中，抽真空；接著以 IO0C /min的速率升溫至200°C;保溫10分鐘；然后接著以10°C /min的速率升溫至400°C， 再保溫10分鐘；就這樣以10°C /min的速率升溫，每隔200°C，保溫10分鐘，直至燒結(jié)溫度1450°C ；燒結(jié)4小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫，就可獲得完全致密的金屬陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高TiC含量的鐵基金屬陶瓷材料的燒結(jié)制備方法，其特征在于鐵基粘結(jié)相的鐵可用不銹鋼粉替代加入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高TiC含量的鐵基金屬陶瓷材料的燒結(jié)制備方法，其特征在于所述鐵基金屬陶瓷的成份配方中，TiC的部分可用TiN代替，TiN的代替量不超過TiC 的 5wt%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燒結(jié)制備高陶瓷含量鐵基碳化鈦金屬陶瓷的方法。其成份配方為TiC為45wt％－80wt％，鐵基粘結(jié)相的含量在20wt％－55wt％；其中鐵基粘結(jié)相的最佳成份為Fe為65wt％－80wt％，Mo為1wt％－5wt％，Ni為2wt％－10wt％，Mn為0wt％－10wt％，Cr為10wt％－22wt％，Ti為0wt％－2.5wt％，Si為0wt％－2.5wt％。按以上配方配好的粉末在混合均勻后，被壓制成10x10x2厘米的毛坯；然后將毛坯放入真空爐中，抽真空；接著以10℃/min的速率升溫至200℃；保溫10分鐘；然后接著以10℃/min的速率升溫至400℃，再保溫10分鐘；就這樣以10℃/min的速率升溫，每隔200℃，保溫10分鐘，直至燒結(jié)溫度1450℃；燒結(jié)4小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫。本發(fā)明可以大大改善鐵基粘結(jié)相與碳化鈦陶瓷相之間的潤濕性，使得鐵基粘結(jié)相與碳化鈦陶瓷在高溫?zé)Y(jié)時(shí)能夠充分潤濕，從而可以獲得完全致密的鐵基金屬陶瓷。
文檔編號C22C1/05GK102409191SQ201110359018
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者王華彬 申請人:王華彬