專利名稱：高強(qiáng)度、高韌性、低比重硬質(zhì)復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷及其陶瓷復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度、高韌性、低比重的硬質(zhì)復(fù)合材料，這種復(fù)合材料有強(qiáng)度高；抗沖擊韌性好，重量輕，又具有一定硬度的特點(diǎn)。
在某些應(yīng)用條件下，要求材料具有高的強(qiáng)度、優(yōu)良的抗沖擊韌性和硬度，同時(shí)又需要其具有低的比重。例如，石油鉆井工業(yè)中所用的新型固井卡件，既要比重小，這樣可隨油漿等一起沖出井筒，而不至于留在井底影響進(jìn)一步鉆井；同時(shí)，又希望具有高的強(qiáng)度、抗剪切性能和良好的韌性。
在這種情況下，幾乎所有的材料都不同時(shí)具備這幾個(gè)性能要求。純陶瓷及其陶瓷基復(fù)合材料，例如PZT等，盡管在硬度、比重及斷裂韌性方面滿足要求，但一般強(qiáng)度較低，使用中易崩角，價(jià)格昂貴；高鈷類硬質(zhì)合金在硬度、抗沖擊韌性及強(qiáng)度方面能滿足要求，但比重太大；純金屬材料及合金則不能滿足強(qiáng)度和比重的要求。
在現(xiàn)有的TiC類硬質(zhì)材料中，主要發(fā)展了YN系列的金屬陶瓷，其特點(diǎn)是在保持一定強(qiáng)度時(shí)強(qiáng)調(diào)材料的高硬度，但斷裂韌性一般不超過IOMPa
，抗沖擊韌性較差。
美國專利3674443，3762919報(bào)道了一種用于切削工具的TiC-Ni復(fù)合材料，其主要成份是80-97％(體積比)TiC、3-20％(體積比)Ni，并且采用熱壓工藝成型。這種工藝的主要問題是制備成本高，異型件難以制備，并且在材料性能上存在抗沖擊韌性差、強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。日本專利平2-66135給出了一種低比重的金屬陶瓷，其主要成份是TiC、WC、TaC、NbC、及Ni、Co等，這種材料存在強(qiáng)度低，沖擊韌性差的缺點(diǎn)。中國專利CN1079996A報(bào)導(dǎo)了一種熱加工用的輕質(zhì)硬質(zhì)合金，其主要成份是TiC加其它碳化物為硬質(zhì)相，Ni、Co等為粘結(jié)相，成份復(fù)雜、性能難以控制且制造成本較高。
本發(fā)明所提供的高強(qiáng)度、高韌性、低比重硬質(zhì)復(fù)合材料，其硬質(zhì)相由單一的TiC構(gòu)成，占45-58％，粘結(jié)相由Ni、Mo、Nb、Cr構(gòu)成，占42-55％。
選擇TiC作為硬質(zhì)相主要是TiC比重小、重量輕，同時(shí)TiC具有較好的硬度和一定的強(qiáng)度，在復(fù)合材料中提供所需的硬度，并且在較高含量條件下，不至使材料的比重過大。在材料組成中，TiC含量不得低于45wt％，否則材料硬度下降，不能滿足材料對抗磨性的要求，同時(shí)材料比重也增大。最佳含量在48-55wt％之間。若硬質(zhì)相超過58wt％，則材料的強(qiáng)度下降，斷裂韌性下降，抗沖擊性能差。
金屬粘結(jié)相Ni有利于提高材料的強(qiáng)度，其含量在26-35wt％為宜。Mo的加入主要是改善Ni與TiC之間的潤濕性，在燒結(jié)過程中促進(jìn)材料的致密化，降低孔隙率，提高材料強(qiáng)度和韌性。同時(shí)Mo的加入有抑制TiC晶粒長大的作用。Mo加入量一般為8-16wt％。Nb加入主要是改善材料的抗沖擊韌性，Nb在高溫?zé)Y(jié)過程中與TiC形成(Ti、Nb)C固溶體，這種結(jié)構(gòu)可以較大地降低TiC脆性，并且與Ni(Mo)之間有更好的相容性，使材料韌性大幅度提高。Nb含量一般不超過2wt％。Cr的加入主要是降低復(fù)合材料的燒結(jié)溫度，并且抑制TiC晶粒長大，有利于促進(jìn)材料的致密化和韌性的提高，其摻加量一般為1-2wt％。
本發(fā)明所述的硬質(zhì)復(fù)合材料，其主要化學(xué)成份是TiC45-58wt％Ni26-35wt％Mo 8-16wt％ Nb1-2wt％Cr 1-2wt％這種材料的制備，可以采用自蔓延高溫合成動(dòng)態(tài)熱壓工藝來制備，也可以采用傳統(tǒng)的粉未冶金工藝。1.自蔓延高溫合成動(dòng)態(tài)熱壓工藝配料單質(zhì)Ti粉、碳黑、Ni、Mo、Nb、Cr單獨(dú)計(jì)量混合選擇硬質(zhì)合金罐、磨料球、干法混合24小時(shí)。
壓制與成型混合樣品裝入自蔓延高溫合成模具中，進(jìn)行自蔓延高溫合成，同時(shí)施加高壓，整個(gè)過程由SHS點(diǎn)火——燃燒合成——?jiǎng)討B(tài)熱壓——冷卻卸模等環(huán)節(jié)構(gòu)成。卸模后可得材料樣品。2.傳統(tǒng)的粉末冶金工藝配料TiC、Ni、Mo、Nb單獨(dú)計(jì)量、配料混合濕法混料，真空干燥成型雙軸向模壓成型燒結(jié)真空燒結(jié)，溫度1350-1450℃，保溫1-1.5小時(shí)。采用本發(fā)明提供的材料配方，以上述工藝制備的硬質(zhì)復(fù)合材料，密度為6.2-6.5g/cm3，硬度為82-85HRA，彎曲強(qiáng)度為1300-1600MPa，斷裂韌性為KIC11-15MPa
經(jīng)實(shí)際應(yīng)用考核，能夠滿足應(yīng)用條件對材料的要求，獲得了高鈷類硬質(zhì)合金及PZT陶瓷材料不可比擬的效果。
實(shí)施例146.4g Ti(-200目)11.6g碳黑(＜O.01gm)，26g Ni(-200目)，13g Mo(-200目)，2g Nb(-200目)，1g Cr(-200目)，球磨24小時(shí)，混合好的試樣壓成原坯，放入自蔓延高溫合成模具中，在100噸直熱式熱壓機(jī)中進(jìn)行自蔓延高溫合成動(dòng)態(tài)熱壓，冷卻后可得密實(shí)的復(fù)合材料樣品。材料密度6.2g/cm3，彎曲強(qiáng)度1380MPa，硬度85HRA，斷裂韌性11。2MPa
實(shí)施例240g Ti(-200目)10g碳黑(＜0.01pm)，31g Ni(-200目)，16g Mo(-200目)，2gNb(-200目)，1g Cr(-200目)，球磨24小時(shí)，混合好的試樣壓成原坯，放入自蔓延高溫合成模具中，在100噸直熱式熱壓機(jī)中進(jìn)行自蔓延高溫合成動(dòng)態(tài)熱壓，冷卻后可得密實(shí)的復(fù)合材料樣品。材料密度6.4g/cm3，彎曲強(qiáng)度1510MPa，硬度84HRA，斷裂韌性13。2MPa 實(shí)施例336g Ti(-200目)9g。碳黑(＜0.01μm)，36g Ni(-200目)，16g Mo(-200目)，2g Nb(-200目)，1g Cr(-200目)，球磨24小時(shí)，混合好的試樣壓成原坯，放入自蔓延高溫合成模具中，在100噸直熱式熱壓機(jī)中進(jìn)行自蔓延高溫合成動(dòng)態(tài)熱壓，冷卻后可得密實(shí)的復(fù)合材料樣品。材料密度6.5g/cm3，彎曲強(qiáng)度1600MPa，硬度82HRA，斷裂韌性15MPa 實(shí)施例458g TiC(平均粒度＜5μm)，26Ni(-200目)，13g Mo(-200目)，2g Nb(-200目)，1g Cr(-200目)，球磨24小時(shí)，真空噴霧干燥后，裝入串40mm的雙軸向壓制模內(nèi)成型，然后在真空感應(yīng)式燒結(jié)爐內(nèi)燒鮚，燒結(jié)溫度1350-1400℃，時(shí)間1小時(shí)，可得到致密的硬質(zhì)復(fù)合材料。材料密度6.2g/cm3，彎曲強(qiáng)度1300MPa，硬度85HRA，斷裂韌性11MPa 實(shí)施例550g TiC(平均粒度＜5μm)，31Ni(-200目)，16g Mo(-200目)，2g Nb(-200目)，1g Cr(-200目)，球磨24小時(shí)，真空噴霧干燥后，裝入φ40mm的雙軸向壓制模內(nèi)成型，然后在真空感應(yīng)式燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度1350-1400℃，時(shí)間1小時(shí)，可得到致密的硬質(zhì)復(fù)合材料。材料密度6.35g/cm3，彎曲強(qiáng)度1480MPa，硬度84HRA，斷裂韌性12.5MPa 實(shí)施例645g TiC(平均粒度＜μm)，36Ni(-200目)，16g Mo(-200目)，2g Nb(-200目)，1g Cr(-200目)，球磨24小時(shí)，真空噴霧干燥后，裝入φ40mm的雙軸向壓制模內(nèi)成型，然后在真空感應(yīng)式燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度1350-1400℃，時(shí)間1小時(shí)，可得到致密的硬質(zhì)復(fù)合材料。材料密度6.5g/cm3，彎曲強(qiáng)度1580MPa，硬度82HRA，斷裂韌性15MPa
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度、高韌性、低比重的硬質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于這種材料的化學(xué)組成是硬質(zhì)相TiC45-58wt％，粘結(jié)相Ni26-35wt％，Mo8-16wt％，Nb1-2wt％，Cr1-2wt％。
2.一種高強(qiáng)度、高韌性、低比重的硬質(zhì)材料的成型方法，其特征在于可以選擇下述方法中的一種(1)自蔓延高溫合成動(dòng)態(tài)熱壓工藝配料單質(zhì)Ti粉、碳黑、Ni、Mo、Nb、Cr單獨(dú)計(jì)量混合選擇硬質(zhì)合金罐、磨料球、干法混合24小時(shí)。壓制與成型混合樣品裝入自蔓延高溫合成模具中，進(jìn)行自蔓延高溫合成，同時(shí)施加高壓，整個(gè)過程由SHS點(diǎn)火——燃燒合成——?jiǎng)討B(tài)熱壓——冷卻卸模等環(huán)節(jié)構(gòu)成。卸模后可得材料樣品。(2)傳統(tǒng)的粉末冶金工藝配料TiC、Ni、Mo、Nb單獨(dú)計(jì)量、配料混合濕法混料，真空干燥成型雙軸向模壓成型燒結(jié)真空燒結(jié)，溫度1350-1450℃，保溫1-1.5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能承受高沖擊、大應(yīng)力作用的低比重硬質(zhì)復(fù)合材料。其主要特點(diǎn)是:強(qiáng)度高(彎曲強(qiáng)度1300～1600MPa),抗沖擊韌性優(yōu)良(斷裂韌性K
文檔編號C22C29/06GK1178254SQ97109259
公開日1998年4月8日 申請日期1997年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者傅正義, 王為民, 王皓 申請人:武漢工業(yè)大學(xué)