一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷、其制備方法及盾構(gòu)刀具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于硬質(zhì)合金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷、其制備方法及盾構(gòu)刀具。本發(fā)明提供了一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，本發(fā)明提供的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，包括基體相和分布在基體相內(nèi)部的若干團(tuán)粒；所述團(tuán)粒包括耐磨相和包覆在耐磨相表面的過(guò)渡相；所述耐磨相包括TiC?Ni?Mo2C合金，所述過(guò)渡相包括WC?Co合金。本發(fā)明以TiC?Ni?Mo2C合金作為超硬耐磨相，被WC?Co合金過(guò)渡相包圍在中間，形成超硬復(fù)合金屬陶瓷團(tuán)粒，將該復(fù)合金屬陶瓷團(tuán)粒均勻分布在基體相中，得到具有特殊結(jié)構(gòu)的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，本發(fā)明中的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷同時(shí)具有較高的耐磨性和較高的斷裂韌性。
【專利說(shuō)明】
一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷、其制備方法及盾構(gòu)刀具
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于硬質(zhì)合金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷、其制備方法及 盾構(gòu)刀具。
【背景技術(shù)】
[0002] 在我國(guó)，習(xí)慣上將用于軟土地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為盾構(gòu)機(jī)，用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧洞施 工具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開(kāi)挖時(shí)可控制地面 沉降、減少對(duì)地面建筑物的影響和在水下開(kāi)挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn)，在隧洞洞線較長(zhǎng)、 埋深較大的情況下，用盾構(gòu)機(jī)施工更為經(jīng)濟(jì)合理。
[0003] 對(duì)于盾構(gòu)機(jī)來(lái)說(shuō)，掘削系統(tǒng)對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的施工效果有著決定性的影響，掘削系統(tǒng) 包括掘削刀盤及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，掘削刀盤為能夠轉(zhuǎn)動(dòng)或搖動(dòng)的盤狀掘削器，由盾構(gòu)刀具、面 板、出土槽口、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和軸承機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。其中，盾構(gòu)刀具作為開(kāi)挖地層的直接作用部件， 其性能直接影響盾構(gòu)機(jī)的切削效果、出土狀況和掘進(jìn)速度。
[0004] 盾構(gòu)刀具通常由硬質(zhì)合金制成，與硬質(zhì)合金在金屬機(jī)加工領(lǐng)域的應(yīng)用相比，硬質(zhì) 合金在盾構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用中通常要經(jīng)受高磨損和高沖擊震動(dòng)并存的工作條件，其失效機(jī)理包 括磨粒磨損，沖蝕磨損，熱疲勞裂紋，應(yīng)力、沖擊疲勞裂紋，以及由這些裂紋所引發(fā)的斷裂 等，因此，用于盾構(gòu)刀具的硬質(zhì)合金需同時(shí)具備高的耐磨性和高的斷裂韌性。目前盾構(gòu)領(lǐng)域 的硬質(zhì)合金主要是粗晶粒的均勻結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)硬質(zhì)合金，雖然斷裂韌性較高，但耐磨性非常 低，成為鑿巖刀具壽命短的根本原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷、其制備方法及盾構(gòu)刀 具，本發(fā)明提供的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷具有較高的耐磨性和斷裂韌性。
[0006] 本發(fā)明提供了一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，包括基體相和分布在基體相內(nèi)部的若干團(tuán) 粒；
[0007] 所述團(tuán)粒包括耐磨相和包覆在耐磨相表面的過(guò)渡相；所述耐磨相包括TiC-Ni-M〇2C合金，所述過(guò)渡相包括WC-Co合金。
[0008] 優(yōu)選的，所述團(tuán)?？傮w在所述多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷中的體積分?jǐn)?shù)為32~90%。
[0009] 優(yōu)選的，所述耐磨相的粒徑為10~lOOOym。
[0010]優(yōu)選的，所述過(guò)渡相的厚度為2~50mi。
[0011] 優(yōu)選的，耐磨相中，所述TiC-Ni-M〇2C合金的Ni含量為5~40wt%，M〇2C含量為5~ 40wt% 〇
[0012] 優(yōu)選的，過(guò)渡相中，所述WC-Co合金的Co含量為6~40wt%。
[0013] 優(yōu)選的，所述過(guò)渡相包括多層過(guò)渡相層;相鄰兩層過(guò)渡相層中，內(nèi)層過(guò)渡相層的硬 度大于外層過(guò)渡相層的硬度。
[0014] 優(yōu)選的，所述過(guò)渡相包括依次接觸的第一過(guò)渡相層、第二過(guò)渡相層和第三過(guò)渡相 層，所述第一過(guò)渡相層包覆在所述耐磨相表面;所述第一過(guò)渡相層包括Co含量為6~10wt% 的WC-Co合金;所述第二過(guò)渡相層包括Co含量為10~18wt %的WC-Co合金;所述第三過(guò)渡相 層包括Co含量為18~40wt%的WC-Co合金。
[0015]本發(fā)明提供了一種上述技術(shù)方案所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的制備方法，包括以下 步驟：
[0016] A)在耐磨相外層包覆過(guò)渡相，得到團(tuán)粒;所述耐磨相包括TiC-Ni-M〇2C合金，所述 過(guò)渡相包括WC-Co合金；
[0017] B)將團(tuán)粒與基體相混合，進(jìn)行燒結(jié)，得到多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。
[0018] 本發(fā)明提供了一種盾構(gòu)刀具，包括上述技術(shù)方案所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷或上述 技術(shù)方案所述方法制得的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。
[0019] 本發(fā)明提供了一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，本發(fā)明提供的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，包括基 體相和分布在基體相內(nèi)部的若干團(tuán)粒;所述團(tuán)粒包括耐磨相和包覆在耐磨相表面的過(guò)渡 相;所述耐磨相包括TiC-Ni-M 〇2C合金，所述過(guò)渡相包括WC-Co合金。本發(fā)明以TiC-Ni-M〇2C^ 金作為超硬耐磨相，被WC-Co合金過(guò)渡相包圍在中間，形成超硬復(fù)合金屬陶瓷團(tuán)粒，將該復(fù) 合金屬陶瓷團(tuán)粒均勻分布在基體相中，得到具有特殊結(jié)構(gòu)的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，本發(fā)明中 的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷同時(shí)具有較高的耐磨性和較高的斷裂韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明中 的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的耐磨性彡1.5krev/mm 3(根據(jù)ASTM-B611)，硬度彡8GPa，斷裂韌性為 彡 18MPa ? m1/2〇
【附圖說(shuō)明】
[0020] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù) 提供的附圖獲得其他的附圖。
[0021] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例 僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范 圍。
[0023] 本發(fā)明提供了一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，包括基體相和分布在基體相內(nèi)部的若干團(tuán) 粒；
[0024] 所述團(tuán)粒包括耐磨相和包覆在耐磨相表面的過(guò)渡相；所述耐磨相包括TiC-Ni-M〇2C合金，所述過(guò)渡相包括WC-Co合金。
[0025]本發(fā)明以硬度較低而韌性較高的金屬陶瓷作為基體相，所述基體相的材質(zhì)優(yōu)選包 括WC-Co合金、純Co、純Ni、Ni基增韌基體相、Ni3Al、高強(qiáng)鋼、高溫合金、形狀記憶合金、銅基 合金、鋁基合金增強(qiáng)復(fù)合材料中的一種或幾種;所述增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)選為以WC-Co合金、純 Co、純Ni、Ni基增韌基體相、Ni 3Al、高強(qiáng)鋼、高溫合金、形狀記憶合金、銅基合金和鋁基合金 為基體的陶瓷顆粒、晶須和纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。所述基體相在多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷中的體 積分?jǐn)?shù)優(yōu)選為10~68%，更優(yōu)選為15~60%，最優(yōu)選為20~55%。在本發(fā)明中，基體相中的 所述WC-Co合金中Co的含量較高，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為25~85%，更優(yōu)選為35~75%，最優(yōu) 選為45~70 %，余量為WC，這使得增韌基體相中WC晶粒的平均自由程得到明顯提高，保證了 多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的高韌性。
[0026]在本發(fā)明中，基體相內(nèi)部分布有若干團(tuán)粒，所述團(tuán)粒包括耐磨相和包覆在耐磨相 表面的過(guò)渡相。其中，所述耐磨相包括TiC-Ni-M〇2C合金;所述TiC-Ni-M〇2C合金的Ni含量?jī)?yōu) 選為5~40wt%，更優(yōu)選為10~35wt%，最優(yōu)選為10~15wt% ;所述TiC-Ni-M〇2C合金的Mo2C 含量?jī)?yōu)選為5~40wt%，更優(yōu)選為5~10wt%。在本發(fā)明中，所述耐磨相的粒徑優(yōu)選為10~ lOOOwn，更優(yōu)選為 100 ~300ym。
[0027]在本發(fā)明中，所述過(guò)渡相包括WC-Co合金；所述WC-Co合金的Co含量?jī)?yōu)選為6~ 40wt%，更優(yōu)選為8~30wt%，最優(yōu)選為10~15wt%。在本發(fā)明中，所述過(guò)渡相的厚度優(yōu)選為 2~50wii，更優(yōu)選為5~20wii，最優(yōu)選為5~15wii。在本發(fā)明提供的一個(gè)實(shí)施例中，所述過(guò)渡相 包括多層過(guò)渡相層;相鄰兩個(gè)過(guò)渡相層中，內(nèi)層過(guò)渡相層的硬度大于外層過(guò)渡相層的硬度； 每個(gè)所述過(guò)渡相層的厚度優(yōu)選為2~lOym，更優(yōu)選為5~6ym ;在本發(fā)明提供的另一個(gè)實(shí)施例 中，所述過(guò)渡相包括依次接觸的第一過(guò)渡相層、第二過(guò)渡相層和第三過(guò)渡相層，所述第一過(guò) 渡相層包覆在所述耐磨相表面;所述第一過(guò)渡相層包括Co含量為6~10wt%的WC-Co合金， 優(yōu)選包括Co含量為7~8wt %的WC-Co合金;所述第二過(guò)渡相層包括Co含量為10~18wt %的 WC-Co合金，優(yōu)選包括Co含量為15~16wt %的WC-Co合金;所述第三過(guò)渡相層包括Co含量為 18~40wt %的WC-Co合金，優(yōu)選包括Co含量為30~35wt %的WC-Co合金。
[0028]在本發(fā)明中，所述團(tuán)?？傮w在所述多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷中的體積分?jǐn)?shù)優(yōu)選為32~ 90%，更優(yōu)選為40~80 %，最優(yōu)選為60~75%，具體的，在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以是70%。 在本發(fā)明提供的一個(gè)實(shí)施例中，所述耐磨相、過(guò)渡相和基體相的體積比優(yōu)選為(30~80): (2 ~40): (10~68)，更優(yōu)選為（40~75): (10~30): (17~58)，最優(yōu)選為（60~70): (15~25): (24~38)，最最優(yōu)選為所述耐磨相、過(guò)渡相和基體相的體積比優(yōu)選為（30~80): (2~40): (10~68)，更優(yōu)選為（40~75): (5~20): (17~58)，最優(yōu)選為（52.5~63.4): (6.6~17.5): 30 〇
[0029]本發(fā)明以TiC-Ni_M〇2C合金作為超硬耐磨相，被WC-Co合金過(guò)渡相包圍在中間，形 成超硬復(fù)合金屬陶瓷團(tuán)粒，將該復(fù)合金屬陶瓷團(tuán)粒均勻分布在增韌基體相中，得到具有特 殊結(jié)構(gòu)的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，本發(fā)明中的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷同時(shí)具有較高的耐磨性和較高 的斷裂韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明中的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的耐磨性多1.5kre V/mm3 (ASTM-8611)，硬度彡86?3，斷裂韌性為彡18?&11/2。
[0030] 本發(fā)明提供了一種上述技術(shù)方案所述多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的制備方法，包括以下步 驟：
[0031] A)在耐磨相外層包覆過(guò)渡相，得到團(tuán)粒;所述耐磨相包括TiC-Ni-M02C合金，所述 過(guò)渡相包括WC-Co合金；
[0032] B)將團(tuán)粒與基體相混合，進(jìn)行燒結(jié)，得到多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。
[0033]在本發(fā)明提供的制備方法中，首先提供耐磨相，以TiC-Ni_M〇2C合金作為耐磨相為 例，本發(fā)明優(yōu)選按照以下方法制備耐磨相：
[0034] 首先，將TiC、M〇2C、Ni和成型劑混合，得到混合物；之后將所述混合物依次進(jìn)行濕 磨、干燥制粒、過(guò)篩、脫蠟和燒結(jié)，得到耐磨相。在本發(fā)明中，所述成型劑優(yōu)選為石蠟、PEG、橡 膠。在本發(fā)明中，所述石蠟的質(zhì)量?jī)?yōu)選為所述混合物質(zhì)量的1~10%，更優(yōu)選為1.2~8%，最 優(yōu)選為1.8~6%，最最優(yōu)選為1.8~2.2%。在本發(fā)明中，所述濕磨的球磨速度優(yōu)選為100~ 250r/min，更優(yōu)選為150~200r/min，最優(yōu)選為160~180r/min。在本發(fā)明中，所述濕磨的時(shí) 間優(yōu)選為1~48h，更優(yōu)選為20~40h，最優(yōu)選為25~35h。在本發(fā)明中，所述干燥制粒的溫度 優(yōu)選為50~90°C，更優(yōu)選為55~80°C，最優(yōu)選為60°C。在本發(fā)明中，所述的脫蠟可以在氫氣、 氬氣、氮?dú)庵羞M(jìn)行，脫錯(cuò)溫度400~600°C，脫錯(cuò)時(shí)間0.5~2h，燒結(jié)可以在氫氣、氬氣、氮?dú)狻?真空中進(jìn)行，燒結(jié)溫度1100~1500°C。本發(fā)明對(duì)所述制粒的方法沒(méi)有特殊的限制，可采用本 領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的噴霧造粒或滾筒造粒。在本發(fā)明中，所述耐磨相的材質(zhì)與用量與上述 技術(shù)方案中過(guò)耐磨的材質(zhì)和用量一致，在此不再贅述。
[0035] 獲得耐磨相后，將過(guò)渡相包覆在耐磨相外層，本發(fā)明優(yōu)選在耐磨相球形粉體顆粒 外層包覆過(guò)渡相，得到團(tuán)粒。具體的，可以將耐磨相球形粉體顆粒放在加入含有成型劑的過(guò) 渡相粉體中，然后依次進(jìn)行濕磨、干燥制粒、過(guò)篩、脫蠟和燒結(jié)，得到內(nèi)部為耐磨相、外層包 覆有過(guò)渡相的球形團(tuán)粒。在本發(fā)明中，所述成型劑優(yōu)選為石蠟、PEG、橡膠。在本發(fā)明中，所述 石蠟的質(zhì)量?jī)?yōu)選為所述混合物質(zhì)量的1~10 %，更優(yōu)選為1.2~8 %，最優(yōu)選為1.8~6 %，最 最優(yōu)選為1.8~2.2 %。在本發(fā)明中，所述濕磨的球磨速度優(yōu)選為100~250r/min，更優(yōu)選為 150~200r/min，最優(yōu)選為160~180r/min。在本發(fā)明中，所述濕磨的時(shí)間優(yōu)選為1~48h，更 優(yōu)選為20~40h，最優(yōu)選為25~35h。在本發(fā)明中，所述干燥制粒的溫度優(yōu)選為50~70°C，更 優(yōu)選為55~65°C，最優(yōu)選為60°C。在本發(fā)明中，所述的脫錯(cuò)可以在氫氣、氬氣、氮?dú)庵羞M(jìn)行， 脫蠟溫度400~600°C，脫蠟時(shí)間0.5~2h，燒結(jié)可以在氫氣、氬氣、氮?dú)?、真空中進(jìn)行，燒結(jié)溫 度1100~1500°C。本發(fā)明對(duì)所述制粒的方法沒(méi)有特殊的限制，可采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知 的噴霧造?；驖L筒造粒。在本發(fā)明中，所述過(guò)渡相的材質(zhì)與用量與上述技術(shù)方案中過(guò)渡相 的材質(zhì)和用量一致，在此不再贅述。
[0036] 得到團(tuán)粒后，本發(fā)明將團(tuán)粒與基體相混合，進(jìn)行燒結(jié)。在本發(fā)明中，可采用熱壓燒 結(jié)，放電等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)等燒結(jié)方式，優(yōu)選放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering，SPS)制備多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。SPS技術(shù)利用放電脈沖在粉末顆粒間產(chǎn)生 等離子體，同時(shí)在粉末表層產(chǎn)生焦耳熱，極大加速了粉末凈化、燒結(jié)頸長(zhǎng)大、體擴(kuò)散、晶界擴(kuò) 散、以及蒸發(fā)-凝聚等燒結(jié)致密化機(jī)制，能夠在比常規(guī)液相燒結(jié)低幾百度的溫度下實(shí)現(xiàn)快速 致密。用SPS技術(shù)可在較低的燒結(jié)溫度、很短的保溫時(shí)間、可控的燒結(jié)壓力下制備出晶粒組 織較均勻、致密度高的超細(xì)乃至納米結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷，并且力學(xué)性能產(chǎn)生奇異的"雙高(硬 度與斷裂韌性)"特性。與傳統(tǒng)金屬陶瓷液相燒結(jié)工藝比較，放電等離子燒結(jié)具有快速致密 化和防止晶粒長(zhǎng)大的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于多級(jí)復(fù)合等非均勻結(jié)構(gòu)金屬陶瓷的制備。在本發(fā)明 中，所述燒結(jié)的溫度優(yōu)選為500~1600°C，更優(yōu)選為800~1400°C ;所述燒結(jié)的壓強(qiáng)優(yōu)選為20 ~45MPa，更優(yōu)選為40~45MPa;所述燒結(jié)過(guò)程中的保溫時(shí)間優(yōu)選為0.02~3h，更優(yōu)選為5~ 30min，最優(yōu)選為5~lOmin。燒結(jié)結(jié)束后，得到多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。
[0037] 本發(fā)明提供的方法能夠制備得到具有特殊結(jié)構(gòu)的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，該多級(jí)復(fù)合 金屬陶瓷同時(shí)具有較高的耐磨性和較高的斷裂韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本發(fā)明提供的方 法制得的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的耐磨性彡1.5krev/mm 3 (ASTM-B611)，硬度彡8GPa，斷裂韌性 為彡 18Pa ? m1/2。
[0038]本發(fā)明還提供了一種盾構(gòu)刀具，包括上述技術(shù)方案中的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。本發(fā) 明中的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷屬于非均勻結(jié)構(gòu)金屬陶瓷，適宜對(duì)土壤、巖石的掘進(jìn)和切削，由本 發(fā)明中的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷制成的盾構(gòu)刀具其耐磨性及使用壽命能夠比金屬陶瓷刀具提 高50%以上，硬度大于85HRA。
[0039]本發(fā)明按照ASTM E399測(cè)試了本發(fā)明中多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的斷裂韌性，結(jié)果表明， 本發(fā)明中的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的斷裂韌性最高可達(dá)30MPa ? m1/2。
[0040] 本發(fā)明按照ASTM B611測(cè)試了本發(fā)明中多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的耐磨性，結(jié)果表明，本 發(fā)明中的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的耐磨性比結(jié)構(gòu)均勻的常規(guī)金屬陶瓷提高15~30%。
[0041] 本發(fā)明測(cè)試了本發(fā)明中多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的維氏硬度，結(jié)果表明，本發(fā)明中的多 級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的硬度最高可達(dá)9.5GPa。
[0042]為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種多級(jí)復(fù)合金屬陶 瓷、其制備方法及盾構(gòu)刀具進(jìn)行詳細(xì)描述，但不能將其理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。 [0043]為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，以下結(jié)合理論實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種多級(jí)復(fù)合金屬 陶瓷、其制備方法及盾構(gòu)刀具進(jìn)行詳細(xì)描述，但不能將其理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0044] 實(shí)施例1
[0045] 1)按照下述方法制備得到耐磨相：
[0046] 將10wt ? %Ni、80wt ? %TiC、10wt ? %M〇2C和2wt ? %石錯(cuò)混合，得到混合物；將所述 混合物依次進(jìn)行濕磨、干燥制粒、過(guò)篩、脫蠟和燒結(jié)，得到耐磨相團(tuán)粒。所述濕磨的球磨速度 優(yōu)選為200r/min，濕磨的時(shí)間48小時(shí)，干燥制粒的溫度60°C。脫蠟在氫氣中進(jìn)行，脫蠟溫度 400 °C，脫蠟時(shí)間2小時(shí)，燒結(jié)在真空中進(jìn)行，燒結(jié)溫度1400 °C。本實(shí)施例制備得到的耐磨相 的粒徑為 100M1，成分為 TiC-10Ni-10M〇2C。
[0047] 2)按照下述方法制備得到過(guò)渡相：
[0048] 過(guò)渡相的WC-Co由85wt. %WC粉末和15wt. %Co粉以及2wt. %石蠟混合制備。將 46.3g混合好的過(guò)渡相WC-Co粉末與53.7g步驟1)制得的耐磨相團(tuán)粒依次進(jìn)行濕磨、干燥制 粒、過(guò)篩、脫蠟、燒結(jié)，最終制備出平均粒徑為1 l〇Mi的耐磨相-過(guò)渡相團(tuán)粒。所述濕磨的球磨 速度優(yōu)選為200r/min，濕磨的時(shí)間48小時(shí)，干燥制粒的溫度60°C。脫蠟在氫氣中進(jìn)行，脫蠟 溫度400 °C，脫蠟時(shí)間2小時(shí)，燒結(jié)在真空中進(jìn)行，燒結(jié)溫度1200 °C。本實(shí)施例制備得到的過(guò) 渡相平均厚度為5wn，成分為WC-15wt ? % Co。
[0049] 3)采用WC_70wt. %Co作為基體相，所述基體相的制備方法：
[0050] 基體相的WC-Co由WC粉末和Co粉混合制備，其中WC粉和Co粉均可在市場(chǎng)購(gòu)得。將 63.4g步驟2)制備的耐磨相-過(guò)渡相團(tuán)粒與36.6g的基體相粉末混合，混合均勻后在41MPa下 在1250°C下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，保溫10分鐘，得到多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷 中，以體積分?jǐn)?shù)計(jì)，耐磨相52.5 %，過(guò)渡相17.5 %，基體相30 %。
[0051]本實(shí)施例制備得到的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，其微觀結(jié)構(gòu)具有圖1中的結(jié)構(gòu)。圖1是本 發(fā)明實(shí)施例1提供的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)示意圖，圖1中1表示耐磨相，2表示過(guò)渡 相，3表示基體相。
[0052] 實(shí)施例2
[0053] 1)按照下述方法制備得到耐磨相：
[0054] 將lOwt ? %Ni、80wt ? %TiC、lOwt ? %M〇2C和2wt ? %石錯(cuò)混合，得到混合物；將所述 混合物依次進(jìn)行濕磨、干燥制粒、過(guò)篩、脫蠟和燒結(jié)，得到耐磨相團(tuán)粒。所述濕磨的球磨速度 優(yōu)選為200r/min，濕磨的時(shí)間48小時(shí)，干燥制粒的溫度60°C。脫蠟在氫氣中進(jìn)行，脫蠟溫度 400 °C，脫蠟時(shí)間2小時(shí)，燒結(jié)在真空中進(jìn)行，燒結(jié)溫度1400 °C。本實(shí)施例制備得到的耐磨相 的粒徑為 150wii，成分為 TiC-10Ni-10M〇2C。
[0055] 2)按照下述方法制備得到過(guò)渡相：
[0056] 過(guò)渡相的WC-Co由85wt. %WC粉末和15wt. %Co粉以及2wt%石蠟混合制備。將 35.6g混合好的過(guò)渡相WC-Co粉末與64.4g步驟1)制得的耐磨相團(tuán)粒依次進(jìn)行濕磨、干燥制 粒、過(guò)篩、脫蠟、燒結(jié)，最終制備出平均粒徑為160wii的耐磨相-過(guò)渡相團(tuán)粒。所述濕磨的球磨 速度優(yōu)選為200r/min，濕磨的時(shí)間48小時(shí)，干燥制粒的溫度60°C。脫蠟在氫氣中進(jìn)行，脫蠟 溫度400 °C，脫蠟時(shí)間2小時(shí)，燒結(jié)在真空中進(jìn)行，燒結(jié)溫度1200 °C。本實(shí)施例制備得到的過(guò) 渡相的平均厚度為5mi，成分為WC-15wt ? % Co。
[0057] 3)采用WC_70wt. % Co作為基體相，所述基體相制備方法：
[0058] 基體相的WC-Co由WC粉末和Co粉混合制備，其中WC粉和Co粉均可在市場(chǎng)購(gòu)得。將 61.3g步驟2)制備的耐磨相-過(guò)渡相團(tuán)粒與38.7g的基體相粉末混合，混合均勻后在41MPa下 在1250°C下等離子燒結(jié)，保溫10分鐘，得到多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷中，以體 積分?jǐn)?shù)計(jì)，耐磨相57.7 %，過(guò)渡相12.3 %，基體相30 %。
[0059] 實(shí)施例3
[0060] 1)按照下述方法制備得到耐磨相：
[0061 ] 將10wt ? %Ni、80wt ? %TiC、10wt ? %M〇2C和2wt ? %石錯(cuò)混合，得到混合物；將所述 混合物依次進(jìn)行濕磨、干燥制粒、過(guò)篩、脫蠟和燒結(jié)，得到耐磨相團(tuán)粒。所述濕磨的球磨速度 為200r/min，濕磨的時(shí)間48小時(shí)，干燥制粒的溫度60°C。脫蠟在氫氣中進(jìn)行，脫蠟溫度400 °C，脫蠟時(shí)間2小時(shí)，燒結(jié)在真空中進(jìn)行，燒結(jié)溫度1400 °C。本實(shí)施例制備得到的耐磨相的粒 徑為 300wii，成分為 TiC-10Ni-10M〇2C。
[0062] 2)按照下述方法制備得到過(guò)渡相：
[0063] 過(guò)渡相的WC-Co由85wt. %WC粉末和15wt. %Co粉以及2wt. %成型劑混合制備。將 21.2g混合好的過(guò)渡相WC-Co粉末與78.8g步驟1)制得的耐磨相團(tuán)粒依次進(jìn)行濕磨、干燥制 粒、過(guò)篩、脫蠟、燒結(jié)，最終制備出平均粒徑為3 lOwii的耐磨相-過(guò)渡相團(tuán)粒。所述濕磨的球磨 速度優(yōu)選為200r/min，濕磨的時(shí)間48小時(shí)，干燥制粒的溫度60°C。脫蠟在氫氣中進(jìn)行，脫蠟 溫度400 °C，脫蠟時(shí)間2小時(shí)，燒結(jié)在真空中進(jìn)行，燒結(jié)溫度1200 °C。本實(shí)施例制備得到的過(guò) 渡相的平均厚度為5mi，成分為WC-15wt ? % Co。
[0064] 3)采用WC_70wt. % Co作為基體相，所述基體相的制備方法：
[0065] 基體相的WC-Co由WC粉末和Co粉混合制備，其中WC粉和Co粉均可在市場(chǎng)購(gòu)得。將 58.7g步驟2)制備的耐磨相-過(guò)渡相團(tuán)粒與41.3g的基體相粉末混合，混合均勻后在41MPa下 在1200°C下放電等離子燒結(jié)，保溫5分鐘，得到多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷中，以 體積分?jǐn)?shù)計(jì)，耐磨相63.4%，過(guò)渡相6.6%，基體相30%。
[0066] 實(shí)施例4
[0067] 1)按照實(shí)施例3中的方法制備得到粒徑為300mi的TiC-10Ni_10Mo2C合金球形耐磨 相團(tuán)粒；
[0068] 2)按照下述方法制備得到第一層過(guò)渡相層：
[0069] 將92wt. %WC_8wt. %Co和石錯(cuò)混合，得到混合物；
[0070] 將21.5g所述混合物與76.6g所述耐磨相團(tuán)粒在200r/min下進(jìn)行48小時(shí)濕磨、60°C 下干燥制粒、過(guò)篩;將得到的球粒在氫氣中400 °C下進(jìn)行0.5小時(shí)的脫蠟，然后在1200 °C真空 條件下進(jìn)行燒結(jié)，得到耐磨相與第一層過(guò)渡相層組成的團(tuán)粒，所述第一層過(guò)渡相層的平均 厚度為5wn。
[0071] 3)按照下述方法制備得到第二層過(guò)渡相層：
[0072] 將85wt. %WC_15wt. %Co和石錯(cuò)混合，得到混合物；
[0073]將21.9g所述混合物與98. lg的所述耐磨相與第一層過(guò)渡相層組成的團(tuán)粒在200r/ min下進(jìn)行48小時(shí)濕磨、60 °C下干燥制粒、過(guò)篩;將得到的球粒在氫氣中400 °C下進(jìn)行2小時(shí) 的脫蠟，然后在1200°C真空條件下進(jìn)行燒結(jié)，得到耐磨相與第一層+第二層過(guò)渡相層組成的 團(tuán)粒，所述第二層過(guò)渡相層的平均厚度為5mi。
[0074] 4)按照下述方法制備得到第三層過(guò)渡相層：
[0075] 將70wt. %WC_30wt. %Co和石蠟混合，得到混合物；
[0076]將21. lg所述混合物與120g的耐磨相與第一層+第二層過(guò)渡相層組成的團(tuán)粒在 200r/min下進(jìn)行48小時(shí)濕磨、60 °C下干燥制粒、過(guò)篩、；將得到的球粒在氫氣中400 °C下進(jìn)行 2小時(shí)的脫蠟，然后在1200°C真空條件下進(jìn)行燒結(jié)，得到耐磨相與第一層+第二層+第三層過(guò) 渡相層組成的團(tuán)粒，所述第三層過(guò)渡相層的平均厚度為5wii。
[0077] 5)采用30wt. %WC_70wt. %Co合金作為基體相，所述基體相的制備方法為：
[0078] 將30wt. %WC_70wt. %Co和石蠟混合，得到混合物；
[0079] 將82.4g所述混合物與141. lg耐磨相與三層過(guò)渡相層組成的團(tuán)粒在200r/min下進(jìn) 行48小時(shí)濕磨、60 °C下干燥制粒、過(guò)篩;將得到的球粒在氫氣中400 °C下進(jìn)行2小時(shí)的脫蠟， 然后在41MPa，1200°C進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，保溫5分鐘，得到最終的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。多 級(jí)復(fù)合金屬陶瓷中，耐磨相-過(guò)渡相團(tuán)粒的平均粒徑為330mi，以體積分?jǐn)?shù)計(jì)，耐磨相 52.6%，過(guò)渡相17.4%，基體相30%。
[0080] 性能檢測(cè)
[0081] 對(duì)本發(fā)明實(shí)施例1~4制備得到的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的硬度、斷裂韌性（A S T M -E399)和耐磨性(ASTM-B611)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，表1為本發(fā)明提供的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷 的性能檢測(cè)結(jié)果。
[0082] 表1多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的性能測(cè)試結(jié)果
[0084] 通過(guò)表1可以看出，本發(fā)明制備的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的耐磨性多1.5krev/mm3，硬 度多8GPa，斷裂韌性為多18Pa ? m1/2,具有較高的耐磨性和較高的斷裂韌性。
[0085] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，包括基體相和分布在基體相內(nèi)部的若干團(tuán)粒； 所述團(tuán)粒包括耐磨相和包覆在耐磨相表面的過(guò)渡相；所述耐磨相包括TiC-Ni-M02Q^ 金，所述過(guò)渡相包括WC-Co合金。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，其特征在于，所述團(tuán)?？傮w在所述多級(jí)復(fù) 合金屬陶瓷中的體積分?jǐn)?shù)為32~90%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，其特征在于，所述耐磨相的粒徑為10~ ΙΟΟΟμπ?ο4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，其特征在于，所述過(guò)渡相的厚度為2~50μ m〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，其特征在于，耐磨相中，所述TiC-Ni-M〇2C 合金的Ni含量為5~40wt%，Mo2C含量為5~40wt%。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，其特征在于，過(guò)渡相中，所述WC-Co合金的 C〇含量為6~40wt%。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，其特征在于，所述過(guò)渡相包括多層過(guò)渡相 層;相鄰兩層過(guò)渡相層中，內(nèi)層過(guò)渡相層的硬度大于外層過(guò)渡相層的硬度。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷，其特征在于，所述過(guò)渡相包括依次接觸的 第一過(guò)渡相層、第二過(guò)渡相層和第三過(guò)渡相層，所述第一過(guò)渡相層包覆在所述耐磨相表面； 所述第一過(guò)渡相層包括Co含量為6~10wt %的WC-Co合金;所述第二過(guò)渡相層包括Co含量為 10~18wt %的WC-Co合金;所述第三過(guò)渡相層包括Co含量為18~40wt %的WC-Co合金。9. 一種權(quán)利要求1所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷的制備方法，包括以下步驟： A) 在耐磨相外層包覆過(guò)渡相，得到團(tuán)粒;所述耐磨相包括TiC-Ni-M〇2C合金，所述過(guò)渡相 包括WC-Co合金； B) 將團(tuán)粒與基體相混合，進(jìn)行燒結(jié)，得到多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。10. -種盾構(gòu)刀具，包括權(quán)利要求1~8任意一項(xiàng)所述的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷或權(quán)利要求9 所述方法制得的多級(jí)復(fù)合金屬陶瓷。
【文檔編號(hào)】B22F1/02GK106001550SQ201610394519
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】鄧欣, 陳健, 伍尚華, 劉金洋, 劉汝德, 葉文駒
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)