超细金属陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超细金属陶瓷材料及其制备方法；所述超细金属陶瓷材料以Ti(C,N)为硬质相，面心立方结构的Co为粘结相，(W,Mo,Ta)C固溶体为润湿相；所述超细金属陶瓷材料的制备方法包括(W,Mo,Ta)C固溶体制备、粘结润湿相制备、真空球磨、金属陶瓷粉末制备、成型、低压烧结等步骤。本发明专利技术制备得到高致密、高强韧的金属陶瓷材料，其硬度平均可达HRA92.9，抗弯强度平均可达2200MPa，断裂韧性平均可达12 MPa·m1/2。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属陶瓷材料
，具体涉及一种超细金属陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着航空航天、军事、能源、汽车、电子等工业的高速发展，对现代制造业提出了更高的要求。因此高效、高精度、高效率、高可靠性的加工材料成为了现代高端制造业的必然选择。Ti(C，N)基金属陶瓷材料是结合钒钛资源发展起来的一类新材料，具有密度低、高温性能耐磨性好和低热导率等优点，是现代工具材料的最佳选择。我国对Ti(C，N)基金属陶瓷材料的研发早已起步，已逐步形成了钛的碳氮化物、金属陶瓷材料和工具制品的完整产业链，但材料及制备的关键技术与国外相比仍有差距。目前我国制造行业所使用的高端金属陶瓷工具90％以上依赖从欧美及日本进口，技术差距很大。海关统计数据显示，我国2013年金属陶瓷刀具进口费用近50亿人民币，进口额还在逐年上升。因此，自主研发高端金属陶瓷材料是对我国制造业来说迫在眉睫的工作。我国钛资源丰富，为Ti(C，N)金属陶瓷复合材料的开发应用创造了有利的条件，并且其开发和利用可有效解决钨资源枯竭难题，具有很高的应用价值。金属陶瓷是硬质(陶瓷)相和强韧(粘接)相组织结构的一种复合材料。金属陶瓷中陶瓷相是多晶烧结材料，其致命弱点是脆性大、韧性不足。因此对高性能金属陶瓷材料的设计主要方向是克服脆性及提高韧性。金属陶瓷的陶瓷材料的强韧化方法主要有：颗粒增韧、纤维增韧、相变强化、晶须增韧等，此外最重要的，是在陶瓷相中引入的韧性金属作为粘结相，这也是“金属”陶瓷名称的缘由。目前，国内外研究最多的是细晶粒及纳米化，最新成果显示，微纳米金属陶瓷材料能缓解硬度与强度之间的矛盾，抗弯强度(TRS)能达2100Mpa左右，硬度可达92.7HRA左右，其综合性能显著优于普通金属陶瓷。但硬度与强度之间的矛盾依然存在，如何设计材料结构，解决金属陶瓷的韧性问题，有待于进一步的深入研究。粘结相作为金属陶瓷复合材料的主要成分，对其强韧性起主要作用，是新合金材料设计应考虑的关键环节。在以往的报道中，Ti(C，N)基金属陶瓷多以Ni为粘结相，但Ni的含量过高将形成脆性相Ni3M。Ni、Co具有相似的力学性能。Co韧性更优，对硬质相的润湿性优于Ni且其固溶效果好。但有报道显示，粘结相中Co过多时，会使得金属相与硬质相原子间的不匹配度增大，使陶瓷体韧性降低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种超细金属陶瓷材料及其制备方法，以制备高致密、高强韧的金属陶瓷材料。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种超细金属陶瓷材料，所述超细金属陶瓷材料以Ti(C，N)为硬质相，面心立方结构的Co为粘结相，(W，Mo，Ta)C固溶体为润湿相；所述超细金属陶瓷材料的组成及质量百分比为：Ti(C，N)45％～50％，面心立方结构的Co16％～20％，(W，Mo，Ta)C固溶体30％～35％；所述超细金属陶瓷材料具有以下2θ角所示的X射线衍射峰：36.59°±0.2°、41.98°±0.2°、43.57°±0.2°、72.93°±0.2°、76.68°±0.2°、43.97°±0.2°、50.86°±0.2°、75.33°±0.2°。进一步，所述Ti(C，N)为Ti(C0.7，N0.3)，平均粒径为300～400nm。进一步，所述面心立方结构的Co平均粒径为100～300nm。进一步，所述(W，Mo，Ta)C固溶体的平均粒径为80～300nm，其中钨、钼、钽和碳的原子摩尔比为3～5∶2～3∶1.5～2∶6.5～10。上述超细金属陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：(1)(W，Mo，Ta)C固溶体制备：称取钨粉、钼粉、钽粉以及石墨粉，并加入稀土Re，所述稀土Re为铈族稀土中的至少一种的氧化物，然后将原料与碳化钨球一起装入不锈钢真空球磨罐进行高能球磨，再将反应产物放入高温气氛炉中，在氮氢混合气体气氛下，于800～900℃条件下进行热化合反应，得到(W，Mo，Ta)C固溶体粉末；(2)粘结润湿相制备：按比例称取面心立方结构的Co粉以及步骤(1)得到的(W，Mo，Ta)C固溶体，然后混合球磨，球磨后将料浆卸出后进行喷雾制粒，获得粘结润湿相粉末并置于管式还原炉中通H2还原；(3)真空球磨：按比例将Ti(C，N)粉末与步骤(2)得到的粘结润湿相粉末混合，然后真空球磨；(4)金属陶瓷粉末制备：将步骤(3)真空球磨后的料浆卸出后进行喷雾干燥后制得粒度均匀、流动性良好的金属陶瓷粉末；(5)成型：将步骤(4)得到的金属陶瓷粉末装入模具中进行模压成型；(6)低压烧结：将步骤(5)得到的压坯装入低压烧结炉中进行低压烧结。进一步，所述步骤(2)中，球磨时加入占粉体质量3％～5％的分散剂，以酒精为球磨介质，WC-Co-Ti(C0.7，N0.3)陶瓷球为研磨体，球料比为1∶6～8，球磨速度为500～600转/min，球磨时间为3～5h；所述分散剂为CeO2与VC以3∶1的质量比混合制成，其平均粒度为100～200nm。进一步，所述步骤(2)中，通H2还原时H2流量为50～150ml/min，还原温度为300～400℃，还原时间为1～3h。进一步，所述步骤(3)中，真空球磨时加入占粉体质量30％～50％的石蜡，以酒精为球磨介质，WC-Co-Ti(C0.7，N0.3)陶瓷球为研磨体，球料比为1∶5～8，球磨时间为48～96h。进一步，所述步骤(5)中，采用双向压机进行模压成型，双向加压，持压10～20s，采用二次加压工艺，压制力为100～160KN。进一步，所述步骤(6)中，按以下工艺进行低压烧结：脱蜡1～2h，温度400℃；分1100℃、1200℃和1300℃三段固相烧结，每段保温30～90min；液相烧结温度1410～1500℃，于烧结结束前15～25min充入4～6MPa氩气，直至烧结完成。本专利技术的有益效果在于：1、钴在常温下通常表现为2种混合结构：以密排六方(α-Co)结构为主，混合面心立方(β-Co)结构。本专利技术从金属的结构和性能的角度分析，发现β-Co具备比α-Co更优异的强韧性：只有3个滑移系α-Co较有12个滑移系的β-Co韧性差，且β-Co与Ti(C，N)结构相同，匹配度高于α-Co，结构优势明显；另外，β-Co具备独特的退火孪晶，比α-Co表现出更好的强韧性能，退火孪晶的CSL(coincidencesitelattice)晶界可以有效阻挡裂纹，减少晶界断裂，提高材料的延展性。因此，本专利技术以面心立方结构β-Co作为粘结相的金属陶瓷具备比其他粘结相金属陶瓷更优异的强韧性。2、金属镍因优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超细金属陶瓷材料，其特征在于：所述超细金属陶瓷材料以Ti (C,N) 为硬质相，面心立方结构的Co为粘结相，(W,Mo,Ta)C固溶体为润湿相；所述超细金属陶瓷材料的组成及质量百分比为：Ti (C,N) 45%~50%，面心立方结构的Co 16%~20%，(W,Mo,Ta)C固溶体30%~35%；所述超细金属陶瓷材料具有以下2θ角所示的X射线衍射峰：36.59°±0.2°、41.98°±0.2°、43.57°±0.2°、72.93°±0.2°、76.68°±0.2°、43.97°±0.2°、50.86°±0.2°、75.33°±0.2°。

【技术特征摘要】
1.一种超细金属陶瓷材料，其特征在于：所述超细金属陶瓷材料以Ti(C,N)为硬质相，面心立方结构的Co为粘结相，(W,Mo,Ta)C固溶体为润湿相；所述超细金属陶瓷材料的组成及质量百分比为：Ti(C,N)45%~50%，面心立方结构的Co16%~20%，(W,Mo,Ta)C固溶体30%~35%；所述超细金属陶瓷材料具有以下2θ角所示的X射线衍射峰：36.59°±0.2°、41.98°±0.2°、43.57°±0.2°、72.93°±0.2°、76.68°±0.2°、43.97°±0.2°、50.86°±0.2°、75.33°±0.2°。
2.根据权利要求1所述的超细金属陶瓷材料，其特征在于：所述Ti(C,N)为Ti(C0.7,N0.3)，平均粒径为300~400nm。
3.根据权利要求1所述的超细金属陶瓷材料，其特征在于：所述面心立方结构的Co平均粒径为100~300nm。
4.根据权利要求1所述的超细金属陶瓷材料，其特征在于：所述(W,Mo,Ta)C固溶体的平均粒径为80~300nm，其中钨、钼、钽和碳的原子摩尔比为3~5:2~3:1.5~2:6.5~10。
5.权利要求1至4任意一项所述的超细金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）(W,Mo,Ta)C固溶体制备：称取钨粉、钼粉、钽粉以及石墨粉，并加入稀土Re，所述稀土Re为铈族稀土中的至少一种的氧化物，然后将原料与碳化钨球一起装入不锈钢真空球磨罐进行高能球磨，再将反应产物放入高温气氛炉中，在氮氢混合气体气氛下，于800~900℃条件下进行热化合反应，得到(W,Mo,Ta)C固溶体粉末；
（2）粘结润湿相制备：按比例称取面心立方结构的Co粉以及步骤（1）得到的(W,Mo,Ta)C固溶体，然后混合球磨，球磨后将料浆卸出后进行喷雾制粒，获得粘结润湿相粉末并置于管式还原炉中通H2还原；
（3）真空球磨：按比例将Ti(C,N...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓莹，邓玲，张艳华，姜中涛，涂铭旌，陈慧，敬小龙，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：重庆;85