一種鉬鎢鉻硼多元硼化物基金屬陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉬鎢鉻硼多元硼化物基金屬陶瓷及其制備方法，主要應(yīng)用于工、 模具等耐磨材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，常用的刀具材料是工具鋼、硬質(zhì)合金、刀具陶瓷和超硬刀具材料。其中硬質(zhì) 合金約占全部刀具的60%，硬質(zhì)合金也稱為工業(yè)的"牙齒"。硬質(zhì)合金主要包含鎢和鈷，而 鎢元素在地殼中含量稀少，故稱之為戰(zhàn)略金屬，目前，我國(guó)正以占世界35%的鎢儲(chǔ)量向世界 提供80%的鎢需求。鎢資源的大量消耗不利于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。尋求無(wú)鎢 硬質(zhì)合金或部分替代鎢的硬質(zhì)合金是當(dāng)今工、模具材料領(lǐng)域的一個(gè)研究方向。
[0003] 金屬陶瓷包括硬質(zhì)相和粘結(jié)相。硬質(zhì)相，由于過(guò)渡金屬碳化物、氮化物、硼化物具 有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和熱穩(wěn)定性而被廣泛用作金屬陶瓷的硬質(zhì)相，其中研究最多的 是以WC、TiC、TiN、Ti (C，N)、TiB2等化合物為硬質(zhì)相，以Co、Ni、Fe等金屬或合金為粘結(jié)相 的金屬陶瓷。TiC基金屬陶瓷、TiN基金屬陶瓷和Ti(C，N)基金屬陶瓷具有較低的韌性而難 以媲美傳統(tǒng)的WC基硬質(zhì)合金。而對(duì)于TiB 2基金屬陶瓷，由于TiB 2較低自擴(kuò)散系數(shù)使其燒 結(jié)性差，且在燒結(jié)過(guò)程中易于與粘結(jié)金屬反應(yīng)生成脆性第三相，因此，TiB2S金屬陶瓷難以 用傳統(tǒng)粉末冶金方法制備成致密材料，性能不佳。
[0004] 三元硼化物同樣具有二元硼化物的高硬度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，日本株式會(huì)社 的研究人員利用二元硼化物易于金屬粘結(jié)相反應(yīng)的特性，以二元硼化物（MoB、FeB、WB等） 和金屬Ni、Fe、Co等為原料，通過(guò)"反應(yīng)硼化燒結(jié)"法制備出了 Mo2NiB2-Ni、Mo2FeB2-Fe和 WCoB-Co三元硼化物基金屬陶瓷，三元硼化物硬質(zhì)相（M 〇2NiB2、M〇2FeB2、WC〇B)是在燒結(jié)過(guò)程 中由二元硼化物和金屬基體通過(guò)硼化反應(yīng)燒結(jié)而成的。這種方法制備的硬質(zhì)相是在金屬基 體中形核長(zhǎng)大，因此，硬質(zhì)相表面無(wú)污染，硬質(zhì)相與金屬相的相溶性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度較 高，所以此類金屬陶瓷具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，其良好的耐腐蝕性和韌性也尤為突出，硬 度雖差于TiC基金屬陶瓷和WC硬質(zhì)合金，但已經(jīng)廣泛應(yīng)用在注射成型機(jī)、銅的熱擠壓模、海 水栗軸承等領(lǐng)域。
[0005] 在我國(guó)，多元硼化物基金屬陶瓷的研究主要集中在鋼基體上硬質(zhì)涂層的制備上， 利用含Ni、Cr、Mo、C等粉末與硼或硼化物混合粉末與鐵基體在高溫下反應(yīng)生成多元硼化 物，在通過(guò)高溫液相燒結(jié)達(dá)到完全致密。張國(guó)軍等人用鉬粉，鎳粉和硼粉通過(guò)"硼化反應(yīng) 燒結(jié)法"成功制備出M 〇2NiB2S元硼化物基金屬陶瓷，其硬質(zhì)相具有正交結(jié)構(gòu)。除此之外， M3B 2(M = Mo，Ni，Cr)多元硼化物基金屬陶瓷的研究很少見到有文獻(xiàn)報(bào)道。由于我國(guó)在近幾 年才開始研究多元硼化物金屬陶瓷，目前主要在結(jié)構(gòu)、性能和制備方面研究，在工業(yè)領(lǐng)域的 實(shí)際應(yīng)用研究還有待進(jìn)一步的深入。目前應(yīng)用主要存在兩個(gè)問題：一是由于制備多元硼化 物金屬陶瓷所需的二元硼化物價(jià)格昂貴，因此生產(chǎn)成本高，二是所制備的金屬陶瓷性能可 靠性和重現(xiàn)性差。
[0006] 專利CN 1017013311A公開了一種以四方結(jié)構(gòu)M3B2(M = Mo, Ni，Cr)多元硼化物 為硬質(zhì)相的金屬陶瓷的制備方法，屬于工、模具等耐磨材料領(lǐng)域。主要制備工藝為：以單質(zhì) 鉬粉、羰基鎳粉、無(wú)定形硼粉和單質(zhì)鉻粉為原料，經(jīng)過(guò)球磨混合、干燥、成形和燒結(jié)步驟制得 了多元硼化物基金屬陶瓷，其硬質(zhì)相為四方結(jié)構(gòu)的M 3B2(M = Mo, Ni，Cr)，粘結(jié)相為NiMo合 金。該方法制備得到的金屬陶瓷雖然具有良好的洛氏硬度和抗彎強(qiáng)度，但是其耐高溫性能 較低，其使用溫度最高為900 °C。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中金屬陶瓷的使用溫度不高的問題，本發(fā)明提供了一種鉬鎢鉻硼多 元硼化物基金屬陶瓷及其制備方法，通過(guò)鉬、鎢和鉻的協(xié)同作用，使鉬鎢鉻硼多元硼化物基 金屬陶瓷的使用溫度提高了 400°C，可以達(dá)到1300°C以上，同時(shí)其還保持了良好的洛氏硬 度和抗彎強(qiáng)度。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] 第一方面，一種鉬鎢鉻硼多元硼化物基金屬陶瓷，其特征在于，所述金屬陶瓷主要 由以下組分按重量份計(jì)制備得到：
[0010] 鉬粉 30~40份 碳化鎢粉 20~30份 二硼化鈦粉 15~20份 鉻粉 2M0份。
[0011] 其中，鉬粉的重量份可為30份、32份、34份、36份、38份或40份；碳化鎢粉的重量 份可為20份、22份、24份、26份、28份或30份等；二硼化鈦粉的重量份可為15份、16份、17 份、18份、19份或20份等；絡(luò)粉的重量份可為20份、22份、24份、26份、28份或30份等。
[0012] 優(yōu)選地，所述金屬陶瓷主要由以下組分按重量份計(jì)制備得到：
[0013] 鉬粉 36份 碳化鎢粉 25份 二硼化鈦粉 17份
[0014] 鉻粉 25份。
[0015] 第二方面，本發(fā)明提供了上述鉬鎢鉻硼多元硼化物基金屬陶瓷的制備方法，包括 以下幾個(gè)步驟：以鉬粉、碳化鎢粉、鉻粉和二硼化鈦粉為原料，依次通過(guò)球磨混合、壓制成形 和燒結(jié)步驟制得以四方結(jié)構(gòu)的M3B 2(M = Mo，W和Cr)多元硼化物為硬質(zhì)相，以WMo為粘結(jié)相 的金屬陶瓷。
[0016] 所述原料中，二硼化鈦粉的重量份為15~20份，鉬粉的的重量份為30~40份， 碳化鎢粉的重量份為20~30份，鉻粉的重量份為20~30份。另外添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 3% 的石墨作為除氧劑和燒結(jié)助劑；燒結(jié)致密的條件為：在真空或惰性氣氛下將壓制生坯燒結(jié) 致密，升溫速度為5~10°C /min，燒結(jié)溫度為1200~1500°C，保溫時(shí)間30~90min。
[0017] 所述的鉬粉的純度> 99. 0%，粒度< 3微米；碳化鎢粉的純度> 99. 5%，粒度< 3 微米；二硼化鈦粉的純度> 99. 0%，粒度< 10微米；鉻粉的純度> 99. 5%，粒度-325目。
[0018] 所述鉬鎳鉻硼多元硼化物基金屬陶瓷的具體制備方法，其特征在于：
[0019] (1)所述球磨混粉過(guò)程中，采用干混方式，以不銹鋼球或Zr02球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料 比為（2~3) : 1，混粉時(shí)間為16~20小時(shí)。
[0020] (2)在90~120MPa的壓力下將粉末壓實(shí)成型，保壓時(shí)間30~60秒。
[0021] (3)在真空或惰性氣氛下將壓制生坯燒結(jié)致密，升溫速度為5~10°C /min，燒結(jié)溫 度為1200~1500°C，保溫時(shí)間30~90min。
[0022] 對(duì)采用上述方法制備的金屬陶瓷進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，洛氏硬度可達(dá)86~90HRA， 抗彎強(qiáng)度可達(dá)1350~1500MPa，使用溫度可達(dá)1300°C以上。
[0023] 對(duì)采用上述方法制備的金屬陶瓷進(jìn)行斷裂面和顯微組織觀察，發(fā)現(xiàn)顆粒分布均 勻，大小在10微米左右，斷裂方式主要是沿晶斷裂。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于：