本發(fā)明涉及一種基于碳熱還原三氧化鉬制備Ti(C,N)基金屬陶瓷的方法，屬于粉末冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：Ti(C,N)基金屬陶瓷具有密度低、紅硬性高、耐磨性高、高溫抗蠕變能力和抗氧化能力強、與金屬間的摩擦系數(shù)低、耐蝕性好等優(yōu)點，在刀具、模具、耐磨零部件、耐腐蝕器件等眾多領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。如用作刀具材料，與常用的硬質(zhì)合金刀具相比，它可以允許有較高的切削速度和較大的進刀量、抗月牙洼磨損能力更高、被加工工件表面質(zhì)量更好；如用作模具材料，不僅紅硬性高、熱穩(wěn)定性和抗氧化性優(yōu)良，且韌性好；如用作耐磨和耐腐蝕材料，其使用壽命相比同類其他材料更高。近年來，Ti(C,N)基金屬陶瓷在世界各國的發(fā)展都十分迅速。目前開發(fā)的Ti(C,N)基金屬陶瓷存在的主要問題是在保持一定硬度的條件下，抗彎強度和斷裂韌性仍然偏低，使其理論上應(yīng)有的優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到一定的限制。近些年來，一些研究者通過嘗試引入各類晶須、碳納米管等到Ti(C,N)基金屬陶瓷中，實現(xiàn)金屬陶瓷的增強增韌。上述方法盡管獲得了相對較好的實驗結(jié)果，使Ti(C,N)基金屬陶瓷的強韌性有了一定程度的提高。但是，晶須、碳納米管等添加物價格昂貴，且純度也有待進一步提高，極容易吸氧和團聚。添加到混合料中之前，必須進行除雜、脫氧和分散等前處理。上述添加物不僅非常昂貴，而且難以在混合料中分布均勻，使金屬陶瓷的制備成本大幅度上升，制備工藝復(fù)雜程度明顯增加，且在批量生產(chǎn)時，很容易形成冶金缺陷，出現(xiàn)次品，因而至今在工業(yè)領(lǐng)域難以得到實際應(yīng)用。另一方面，也有研究者采用熱壓燒結(jié)、低壓-熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等特殊燒結(jié)方法制備細晶粒的Ti(C,N)基金屬陶瓷，使材料的性能得到一定程度的提高，但是這些特殊燒結(jié)方法對設(shè)備要求較高，前期投入較大，且生產(chǎn)成本明顯提高。鑒于上述情況，為了使Ti(C,N)基金屬陶瓷能在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，有必要對此種材料進行進一步的研究，開發(fā)出一種高性能低成本的Ti(C,N)基金屬陶瓷。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于碳熱還原三氧化鉬制備Ti(C,N)基金屬陶瓷的方法。該方法可以制備出綜合力學性能較高、性能穩(wěn)定的Ti(C,N)基金屬陶瓷，且制造成本低廉。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是：一種基于碳熱還原三氧化鉬制備Ti(C,N)基金屬陶瓷的方法，具體步驟如下：1)配制混合料，包括如下質(zhì)量份數(shù)的組份：Ti為31.5～39.7，C為10.6～11，N為3.6～4.6，O為5.4～6.6，Ni為22～31，Mo為10～12.4，W為4.2～7.7；配制上述成分的混合料時，所用原料為Ti(C,N)固溶體粉，MoO3粉，WC粉、Ni粉，粉末的粒度為微米級；2)在行星式球磨機中進行混料，球磨機轉(zhuǎn)速為300～400rpm，時間為24～36h；3)加入成型劑，成型劑濃度為7wt.％聚乙烯醇水溶液，加入比例為混合料的3～5wt％；4)在壓制壓力150～200MPa下壓制成型；5)在真空度高于10Pa的真空爐中脫除成型劑，在200～400℃之間的升溫速度為0.3～0.4℃/min；6)真空燒結(jié)，在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于1.0×10-2Pa；所述的真空燒結(jié)分為四個階段，首先將脫除成型劑的壓坯繼續(xù)升溫至600～800℃，保溫2～4h；隨后升溫至1200～1240℃，保溫1～2h；然后再升溫至1400～1440℃，保溫0.5～1h；最后以20℃/min的冷卻速度使爐溫快速降至1000℃以下，得到Ti(C,N)基金屬陶瓷。為實現(xiàn)本目的，本發(fā)明步驟1)中配制混合料時，混合料中的Mo以MoO3粉的形式引入。一般來說，在Ti(C,N)基金屬陶瓷中，氧被視為有害元素，因為它們在液相燒結(jié)過程中會使硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間的潤濕角變大，降低其潤濕性，從而惡化材料的組織和性能，所以目前在制備金屬陶瓷的過程中都盡可能的降低粉料中的氧含量。本發(fā)明以MoO3粉的形式將Mo和O元素引入到Ti(C,N)基金屬陶瓷混合料中，同時以石墨粉的形式引入了相應(yīng)含量的C，通過合理控制燒結(jié)工藝，MoO3粉與石墨粉在800℃之前發(fā)生如下固相反應(yīng)：MoO3+C→MoO2+CO；MoO2+2C→Mo+2CO；2Mo+C→Mo2C，原位將O脫除并與C化合生成Mo2C。而此時燒結(jié)體仍處于前期的固相燒結(jié)階段，其相對密度較低，孔隙呈開孔狀態(tài)，反應(yīng)生成的氣體在真空條件下能夠順利逸出，不會對后續(xù)的液相燒結(jié)產(chǎn)生不利影響。同時，所引入的大量石墨粉與MoO3粉發(fā)生碳熱還原過程中釋放的還原性氣體CO能使其它原始粉料表面的吸附氧脫除的更徹底，凈化陶瓷相和金屬粘結(jié)相之間的界面，有效改善金屬陶瓷的顯微組織，增強相界面的結(jié)合強度，從而達到提高Ti(C,N)基金屬陶瓷強韌性的目的。為實現(xiàn)本目的，制備方法具有如下特點：真空燒結(jié)分為四個階段，首先將脫除成型劑的壓坯升溫至600～800℃，保溫2～4h；隨后升溫至1200～1240℃，保溫1～2h；然后再升溫至1400～1440℃，保溫0.5～1h；最后以20℃/min的冷卻速度使爐溫快速降至1000℃以下。在600～800℃保溫2～4h是為了讓MoO3粉和石墨粉通過原位碳熱還原反應(yīng)生成Mo2C；隨后升溫至1200～1240℃，保溫1～2h是為了使生成的Mo2C、混合料中的WC和Ti(C,N)固溶體通過固相反應(yīng)在陶瓷硬質(zhì)相顆粒表面形成內(nèi)環(huán)形相，以改善后續(xù)液相燒結(jié)階段金屬粘接相對陶瓷相的潤濕性，并防止晶粒聚集長大；升溫至1400～1440℃，保溫0.5～1h是為了使金屬陶瓷進入液相燒結(jié)階段，完成燒結(jié)體的致密化和組織均勻化；最后以20℃/min的冷卻速度使爐溫快速降至1000℃以下，是為了使燒結(jié)體快速凝固，防止陶瓷硬質(zhì)相在液相階段停留時間過長通過溶解-析出機制過分長大。本發(fā)明有益效果在于：1、本發(fā)明提供的基于碳熱還原三氧化鉬制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷，具有較高的綜合力學性能，且其硬度、抗彎強度和斷裂韌性可根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的性能要求而調(diào)整。所制備的金屬陶瓷材料不但具有紅硬性好、耐磨性高、抗氧化能力強、與金屬間的摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，而且強韌性和性能穩(wěn)定性明顯提高，不僅可用于刀具切削領(lǐng)域，也可適用于礦山、石油、煤炭開采等領(lǐng)域，還可廣泛地用作耐磨件、耐高溫件、耐腐蝕件等。2、本發(fā)明提供的基于碳熱還原三氧化鉬制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷不含貴重元素，用作Mo源的MoO3粉價格相對Mo粉或Mo2C粉更加便宜，原料成本更加低廉。3、本發(fā)明提供的基于碳熱還原三氧化鉬制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷采用常規(guī)的真空燒結(jié)法制備，對生產(chǎn)設(shè)備無特殊要求，有利于工業(yè)推廣應(yīng)用；工藝過程簡單，在一個完整的熱循環(huán)中完成，能顯著節(jié)約能耗、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)率。具體實施方式以下結(jié)合實例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)效果。以下實例所采用的原料為Ti(C,N)粉、Ni粉、MoO3粉、WC粉、石墨粉。表1是4種成分配方的混合料。分別采用實施例1-3的三種不同工藝參數(shù)將其制備成Ti(C,N)基金屬陶瓷，并分別測定其硬度、抗彎強度和palmqvist斷裂韌性，其中1#和2#成分配方中金屬粘結(jié)相較低，硬度較高，適用于切削刀具和耐磨件領(lǐng)域，3#和4#成分配方中金屬粘結(jié)相較高，強韌性較好，適用于制作礦山、石油、煤炭開采等領(lǐng)域所需的零件。表1四種混合料的成分配方成分TiCNONiMoW1#39.710.64.65.422107.72#37.2114.35.82510.85.93#33.210.83.96.42811.66.14#31.510.73.66.63112.44.2實施例1：1、按照表1配制4種混合料；2、將混合料置于行星式球磨機中進行混合，球磨機轉(zhuǎn)速為300rpm，時間為36h；3、添加成型劑：成型劑采用濃度為7wt.％的聚乙烯醇水溶液，加入量為混合料的3wt％；4、壓制成型：壓制成型所用的壓力為150MPa；5、脫除成型劑：脫除成型劑工序在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于10Pa，在200～400℃之間的升溫速度為0.3℃/min；6、真空燒結(jié)：在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于1.0×10-2Pa。真空燒結(jié)分為四個階段，首先將脫除成型劑的壓坯繼續(xù)升溫至600℃，保溫4h；隨后升溫至1240℃，保溫1h；然后再升溫至1440℃，保溫30min；最后以20℃/min的冷卻速度使爐溫快速降至1000℃以下，得到Ti(C,N)基金屬陶瓷。在上述制備工藝條件下，不同成分配方的金屬陶瓷的力學性能見表2。表2采用工藝1制備出的不同金屬陶瓷的力學性能成分1#2#3#4#抗彎強度σb(MPa)1715193822172461硬度(HRA)92.391.189.788.0斷裂韌性(MN·m-3/2)12.414.617.922.3實施例2：1、按照表1配制4種混合料；2、將混合料置于行星式球磨機中進行混合，球磨機轉(zhuǎn)速為350rpm，時間為30h；3、添加成型劑：成型劑采用濃度為7wt.％的聚乙烯醇水溶液，加入量為混合料的4wt％；4、壓制成型：壓制成型所用的壓力為180MPa；5、脫除成型劑：脫除成型劑工序在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于10Pa，在200～400℃之間的升溫速度為0.4℃/min；6、真空燒結(jié)：在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于1.0×10-2Pa。真空燒結(jié)分為四個階段，首先將脫除成型劑的壓坯繼續(xù)升溫至700℃，保溫3h；隨后升溫至1220℃，保溫1.5h；然后再升溫至1420℃，保溫40min；最后以20℃/min的冷卻速度使爐溫快速降至1000℃以下，得到Ti(C,N)基金屬陶瓷。在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表3。表3采用工藝2制備出的不同金屬陶瓷的力學性能成分1#2#3#4#抗彎強度σb(MPa)1724201722562473硬度(HRA)92.191.089.588.2斷裂韌性(MN·m-3/2)11.814.318.122.5實施例3：1、按照表1配制4種混合料；2、將混合料置于行星式球磨機中進行混合，球磨機轉(zhuǎn)速為400rpm，時間為24h；3、添加成型劑：成型劑采用濃度為7wt.％的聚乙烯醇水溶液，加入量為混合料的5wt％；4、壓制成型：壓制成型所用的壓力為200MPa；5、脫除成型劑：脫除成型劑工序在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于10Pa，在200～400℃之間的升溫速度為0.4℃/min；6、真空燒結(jié)：在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于1.0×10-2Pa。真空燒結(jié)分為四個階段，首先將脫除成型劑的壓坯繼續(xù)升溫至800℃，保溫2h；隨后升溫至1200℃，保溫2h；然后再升溫至1400℃，保溫1h；最后以20℃/min的冷卻速度使爐溫快速降至1000℃以下，得到Ti(C,N)基金屬陶瓷。在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表4。表4采用工藝3制備出的不同金屬陶瓷的力學性能成分1#2#3#4#抗彎強度σb(MPa)1709199722332469硬度(HRA)92.091.289.488.1斷裂韌性(MN·m-3/2)12.114.118.321.9在本權(quán)利書取值范圍內(nèi)，燒結(jié)過程第一階段的工藝參數(shù)對性能影響相對較大，只有當此階段的燒結(jié)溫度和保溫時間搭配合理時(保溫溫度較高時，時間相應(yīng)縮短；保溫溫度較低時，時間應(yīng)適當延長)，上述各成分配方的金屬陶瓷可獲得相對較好的綜合力學性能?？傊跈?quán)利要求書取值范圍內(nèi)，上述工藝因素其對材料力學性能的影響有限。上述實施例只是用于對本發(fā)明的內(nèi)容進行闡述，而不是限制，因此在和本發(fā)明的權(quán)利要求書相當?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何改變，都應(yīng)該認為是包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，如將其他組元用相應(yīng)氧化物替代，并在燒結(jié)過程中通過原位碳熱還原法對氧化物進行還原，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3