專利名稱：一種金屬陶瓷表面耐磨材料的制備方法
技術領域：
本發明為一種表面耐磨材料的制備方法，特別涉及表面為金屬陶瓷耐磨層，內部 為鋼的表面耐磨材料，屬于復合材料領域。
背景技術：
在現代工業生產中，許多領域中的機械零部件長期在高溫、高壓、高速度、高載荷、高磨損的惡劣條件下工作，極易發生失效。一方面，工件會因為表面受到大的磨損而導致報 廢；另一方面，由于工件材料的強度和韌性不足而導致斷裂。因此，工業上對材料的綜合性 能要求不斷提高，單一的材料很難滿足要求。利用表面復合材料的思想，在鋼基體表面生成 一層金屬陶瓷層，既保持了鋼作為金屬材料的優異的強韌性，又利用了金屬陶瓷材料的高 硬度和耐磨性，實現硬度耐磨性與強度與韌性有機結合。而且，金屬陶瓷表面復合材料在滿 足了惡劣條件下對材料綜合性能要求的同時也具有巨大的成本優勢。目前有多個專利公開了制備金屬陶瓷表面耐磨材料的方法。如專利97123407. 8， 采用高溫氣壓自蔓延反應方法在普通碳素結構鋼表面制備了 M3Al-Cr7C3復合材料涂層， 該制備方法所制備的涂層純度高，微觀組織致密良好，涂層與底材為牢固的冶金結合，涂層 具有良好的室溫抗磨性能及較高的硬度，其耐磨性是軸承鋼的4 7倍。專利98805547. 3 通過激光噴涂使待涂的燒結件表面在激光作用下熔化，被融合的待噴涂燒結件表面可達10 微米到1毫米厚，這就可以使其表面的微孔(燒結件的典型特征)閉合，從而增強它的抗沖 擊性。上述兩發明的高溫自蔓延法和激光噴涂的方法都存在對設備要求高的缺點。專利93111991. X用普通鑄造方法使金屬基體表面與陶瓷復合，其生產工藝為將 陶瓷材料粉碎成粒度，按比例、組分、依順序加料混合，預熱砂型，將混合料漿噴刷到砂型表 面發泡，合箱靜置，將金屬基體熔化澆鑄成型。該發明簡化了生產工藝過程，能一次成型得 到最終產品，能提高金屬表面的耐磨、耐熱等性能，且節約材料。由于采用噴刷的方法，獲得 的表面耐磨層厚度有限且不易控制，而且表面金屬陶瓷層與基體的結合強度受到影響。專利99114851. 7提供的制備鐵基表面復合材料的鑄造燒結法，是將陶瓷粉或/和 可生成碳化物陶瓷的組分與易熔合金粉混勻，制成壓坯并固定于鑄型表面，利用鑄造澆注 的高溫鋼水或鐵水的熱量，直接將壓坯燒結在鑄件母體上。該法中制備的壓坯通常含有粘 結劑，在采用鋼水或者鐵水澆注時容易產生氣體。

發明內容
本發明針對目前報道的制備金屬陶瓷表面耐磨材料方法存在的諸多不足之處，發 明了一種新的方法。先將金屬陶瓷混合粉末壓制成帶圓柱孔的生坯，然后將圓柱形的鋼質 芯棒放入金屬陶瓷生坯的內孔中，控制鋼芯棒的直徑以獲得最佳的間隙，并一起放入真空 爐中進行真空燒結處理；金屬陶瓷生坯與鋼芯棒進行真空燒結處理后，金屬陶瓷生坯發生 尺寸收縮，其心部圓柱孔徑將略小于鋼芯棒直徑，因此在金屬陶瓷生坯致密化的同時，也實 現了與鋼芯棒的緊密機械連接。同時，燒結過程中金屬陶瓷與鋼芯棒接觸的邊界部分發生相互擴散，保證了表面金屬陶瓷層與心部鋼材的冶金結合，本發明的示意圖見附圖1。本發明的金屬陶瓷表面耐磨材料的制備方法，其特征在于依次包含以下步驟(1)將原料粉末配制成金屬陶瓷混合粉末，其重量百分比為=Mo2C :0 15%，WC O 15%，Ni 0 20%，Co 0 20%，TiCa7Na3為余量；金屬陶瓷混合粉末經過球磨、過 濾、干燥后壓制成帶圓柱孔的生坯；(2)將圓柱形鋼芯棒放置在金屬陶瓷生坯內孔中，鋼芯棒各組成成分重量百分比 為C 0. 03 1. 0%，W :0 20%，V :0 5%，Cr :0 5%，Fe為余量；鋼質芯棒直徑的確 定方法為鋼質芯棒直徑=擴散層厚度+金屬陶瓷生坯孔徑/收縮系數，其中擴散層厚度為 0. 05mm 2mm，收縮系數為1. 2 1. 8 ；(3)圓柱形鋼芯棒與金屬陶瓷生坯一起放入真空爐中，先脫除成型劑，然后經過燒 結制備成金屬陶瓷表面耐磨材料，燒結溫度為1350 1450°C，保溫時間為1 3h，真空度 為1 5Pa。本發明的金屬陶瓷表面耐磨材料的制備方法，其進一步的特征在于(1)配制耐磨合金鋼混合粉末所用的原料中，Mo2C的粒度為1. 0 2. 0 μ m，WC的 粒度為1. 0 2. 0 μ m，Ni的粒度為0. 8 1. 5 μ m，Co的粒度為0. 8 1. 5 μ m，TiCa7Na3的 粒度為1. 0 2. Ομπι ；金屬陶瓷混合粉末的球磨介質為無水乙醇，其加量為100 500ml， 球磨速度為60 100r/min，研磨時間為36h 72h，研磨球為Φ6 8mm的WC 8wt% Co 硬質合金球，球料重量比為5 1 15 1 ；球磨后金屬陶瓷料漿的真空干燥處理溫度為 85°C 120°C，真空度為1 5Pa ；丁鈉橡膠成型劑的加量為50 120wt% ；在300 500MPa 下壓制成生坯；(2)在金屬陶瓷生坯內孔中放置鋼芯棒時，二者的同心度為0. 1 0. 6mm ；(3)真空燒結過程脫除成型劑在500°C 600°C進行，保溫2 4h，真空度為10 15Pa。本發明的優點在于(1)生產工藝簡單，不需要特殊貴重的設備；(2)通過“機械連接”和“冶金結合”的雙重作用，表面金屬陶瓷耐磨層與內部的鋼 之間結合緊密；(3)金屬陶瓷耐磨性好，密度低，Ti資源豐富，與鋼結合使用不僅保證了優異的性 能而且具有成本優勢。


圖1本發明的金屬陶瓷表面耐磨材料制備過程示意圖
具體實施例方式實例1 配制耐磨合金鋼混合粉末所用的原料中，Mo2C的粒度為1. O 2. O μ m，Ni 的粒度為0.8-1. 5 μ m，TiC0. Λ. 3的粒度為1. O 2. O μ m ；金屬陶瓷成分為=Mo2C :10wt%, Ni :15wt%, TiCtl.凡.3為余量；球磨介質為無水乙醇，其加量為300ml，球磨速度為IOOr/ min，研磨時間為72h，研磨球為Φ8πιπι的WC-8% Co硬質合金球，球料重量比為5 1 ；球 磨后金屬陶瓷料漿的真空干燥處理溫度為85°C，真空度為5Pa ；丁鈉橡膠成型劑的加量為80界1%;在300MPa下壓制成高度為5mm，外徑為20mm，內徑為IOmm的生坯；采用10號鋼(C 占0. lwt%，其余為Fe)作芯棒，其直徑為7mm ；鋼芯棒放置在金屬陶瓷生坯內孔中，二者的 同心度為0. 4mm ；真空燒結過程脫除成型劑在550°C進行，保溫2h，真空度為IOPa ；最終在 1410°C下燒結lh，真空度為5Pa。便制成表面為金屬陶瓷層內部為鋼、結合緊密的表面耐磨 材料。 實例2 配制耐磨合金鋼混合粉末所用的原料中，Mo2C的粒度為1. 0 2.0 μ m，WC 的粒度為1. 0 2. 0 μ m，Ni的粒度為0. 8 1. 5 μ m，Co的粒度為0. 8 1. 5 μ m，TiC0.7N0.3 的粒度為 1. 0 2. Ομπι ；金屬陶瓷成分為Mo2C :8wt%,Ni :10wt%,Co :10wt%,WC :5wt%, TiCa7Na3為余量；球磨介質為無水乙醇，其加量為400ml，球磨速度為80r/min，研磨時間為 70h，研磨球為Φ8mm的WC_8% Co硬質合金球，球料重量比為6 1 ；球磨后金屬陶瓷料漿 的真空干燥處理溫度為85°C，真空度為5Pa ；丁鈉橡膠成型劑的加量為85wt% ；在400MPa 下壓制成高度為6mm，外徑為20mm，內徑為15mm的生坯；鋼芯棒成分為C :lwt%，W :18wt%, V :4wt%,Cr :5wt%,Fe為余量，其直徑為IOmm ；鋼質芯棒放置在金屬陶瓷生坯內孔中，二者 的同心度為0. 5mm ；真空燒結過程脫除成型劑在550°C進行，保溫3h，真空度為15Pa ；最終 在1400°C下燒結1. 5h，真空度為5Pa。便制成表面為金屬陶瓷層內部為鋼、結合緊密的表面 耐磨材料。
權利要求
一種金屬陶瓷表面耐磨材料的制備方法，其特征在于依次包含以下步驟(1)將原料粉末配制成金屬陶瓷混合粉末，其重量百分比為Mo2C0～15％，WC0～15％，Ni0～20％，Co0～20％，TiC0.7N0.3為余量；金屬陶瓷混合粉末經過球磨、過濾、干燥后壓制成帶圓柱孔的生坯；(2)將圓柱形鋼芯棒放置在金屬陶瓷生坯內孔中，鋼芯棒各組成成份重量百分比為C0.03～1.0％，W0～20％，V0～5％，Cr0～5％，Fe為余量；鋼質芯棒直徑的確定方法為鋼質芯棒直徑＝擴散層厚度+金屬陶瓷生坯孔徑/收縮系數，其中擴散層厚度為0.05mm～2mm，收縮系數為1.2～1.8；(3)圓柱形鋼芯棒與金屬陶瓷生坯一起放入真空爐中，先脫除成型劑，然后經過燒結制備成金屬陶瓷表面耐磨材料，燒結溫度為1350～1450℃，保溫時間為1～3h，真空度為1～5Pa。
2.根據權利要求1所述的金屬陶瓷表面耐磨材料的制備方法，其進一步的特征在于(1)配制耐磨合金鋼混合粉末所用的原料中，Mo2C的粒度為1.O 2. O μ m，WC的粒度為，1.O 2. O μ m，Ni的粒度為0. 8 1. 5 μ m，Co的粒度為0. 8 1. 5 μ m，TiC0.7N0.3的粒度為 1. 0 2. Oym ；金屬陶瓷混合粉末的球磨介質為無水乙醇，其加量為100 500ml，球磨速 度為60 100r/min，研磨時間為36h 72h，研磨球為Φ6 8mm的WC 8wt% Co硬質合 金球，球料重量比為，5 1 15 1 ；球磨后金屬陶瓷料漿的真空干燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為1 5Pa ；丁鈉橡膠成型劑的加量為50 120wt% ；在300 500MPa下壓 制成生坯；(2)在金屬陶瓷生坯內孔中放置鋼芯棒時，二者的同心度為0.1 0. 6mm ；(3)真空燒結過程脫除成型劑在500°C 600°C進行，保溫2 4h，真空度為10 15Pa。
全文摘要
本發明公開了一種金屬陶瓷表面耐磨材料的制備方法，其特征是先利用粉末冶金方法制備心部有圓柱孔的TiCN基金屬陶瓷生坯；然后將一定尺寸的鋼質芯棒放置在生坯的圓柱孔中；金屬陶瓷生坯與鋼質芯棒在1350℃～1450℃下進行真空燒結處理。金屬陶瓷生坯發生尺寸收縮實現了致密化，控制其心部圓柱孔徑小于鋼質芯棒直徑，便實現了與鋼質芯棒的緊密機械連接。同時，燒結過程中金屬陶瓷與鋼質芯棒接觸的邊界部分發生相互擴散，保證了表面金屬陶瓷層與心部鋼材的冶金結合。本發明具有工藝簡單、成本低、表面耐磨層與內部鋼材結合緊密的優點。
文檔編號C22C1/05GK101845581SQ20101018368
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者楊天恩, 楊梅, 熊素建, 熊計, 郭智興, 陳建中 申請人:四川大學