本發(fā)明涉及一種金屬陶瓷材料的制備方法，特別涉及基于碳遷移的表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ti(c,n)金屬陶瓷由于具有比wc基硬質(zhì)合金更好的紅硬性、較低的腐蝕性、導(dǎo)熱率和摩擦系數(shù)、較好的抗粘刀能力,在許多加工場合已成功取代wc硬質(zhì)合金。通過表面滲碳處理制備出表面自潤滑的金屬陶瓷，可以進(jìn)一步提高其抗摩擦磨損性能。cn94119863.4公開了一種陶瓷材料的滲碳方法。將陶瓷(al2o3、zro2或氧化物系列)浸入hf溶液，以便對其進(jìn)行深入到0.01μm～100μm的表面處理；將經(jīng)過上述表面處理的陶瓷材料放入石英管中，再轉(zhuǎn)入滲碳爐中；然后注入硅氧烷和輕石油，加熱和冷卻；最后進(jìn)行樹脂處理、洗滌和干燥，得到碳浸滲入0.01μm～100μm的滲碳滑動材料。這樣，滲碳在簡單方式下進(jìn)行，可使滑動材料諸如al2o3等具有改善的摩擦系數(shù)和其它改善的性能。鐘杰等報道了一種金屬陶瓷的雙輝滲碳方法，按tic-10wt%tin-32wt%ni-16wt%mo-8.4wt%wc配料，粉末混合后加適量酒精分散，機(jī)械球磨混料24h,轉(zhuǎn)速260r/min,球料比為7：1；球磨后烘干并壓制成型,壓制壓力為300mpa；隨后進(jìn)行真空液相燒結(jié),燒結(jié)溫度為1430℃,保溫60min；燒結(jié)后打磨拋光試樣表面,裝入雙輝等離子滲碳設(shè)備中進(jìn)行滲碳,滲碳溫度為1200℃,滲碳時間為180min,放電氣體為高純氬氣,源極靶材為高純石墨。（鐘杰,鄭勇,張一欣.功能梯度ti(c,n)基金屬陶瓷制備技術(shù).復(fù)合材料學(xué)報，2009，26（3）：111-115）。
但是，上述方法是在材料燒結(jié)完成后再進(jìn)行滲碳處理，滲碳時間長，效率不高；而且高溫下金屬陶瓷材料容易出現(xiàn)晶粒長大，導(dǎo)致材料性能下降。因此，尋找制備表面自潤滑金屬陶瓷材料的新方法十分必要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對目前制備表面自潤滑金屬陶瓷材料時，“燒結(jié)+滲碳”工藝存在的晶粒長大嚴(yán)重、滲碳時間長、效率低的問題，提出先將金屬陶瓷壓坯脫除成型劑使其形成多孔生坯，再將無定形si-c-o包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末、石墨烯、na2co3混合行星球磨時均勻混合形成含氫滲碳介質(zhì)，然后將多孔生坯放入滲碳介質(zhì)中并進(jìn)行緊實(shí)，最后進(jìn)行液相燒結(jié)時基于碳遷移制備出表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷。
本發(fā)明的基于碳遷移的表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備方法，其特征在于依次包含以下步驟：
（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯制備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni占5～20wt%，co占0～20wt%，mo2c占5～15wt%，wc占5～20wt%，tic0.7n0.3為余量；將稱取的粉末混合并經(jīng)過球磨、過濾、干燥、摻成型劑、壓制成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結(jié)爐中500～650℃保溫2～4h，真空度為10～25pa,形成孔隙度為25%～40%的脫除成型劑的金屬陶瓷生坯；
（2）含氫滲碳介質(zhì)配制：先稱取粒度為0.5~1.5μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2占35wt%的混合液，然后進(jìn)行20~40min的超聲分散處理，并在80~100℃和真空度為10～20pa條件下真空干燥1h；再以去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配制溶液，按濃度為0.1～0.8mol/l加入聚碳硅烷，按聚碳硅烷濃度的10倍加入經(jīng)過超聲分散的tih2粉末，并用ch3cooh調(diào)節(jié)ph值到3～6,然后在磁力攪拌器中60～80℃下攪拌8～24h，并在120~150℃下干燥1～3h，得到無定形si-c-o包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末；再將無定形si-c-o包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末，厚度小于3nm、層數(shù)小于3層且比表面積大于250m2/g的石墨烯，na2co3三種物質(zhì)按重量百分比2:1:1混合，并在行星球磨機(jī)中球磨1~2h，制成含氫滲碳介質(zhì)；
（3）生坯在含氫滲碳介質(zhì)中的裝填：先將含氫滲碳介質(zhì)裝入石墨坩堝中，再將脫除成型劑的金屬陶瓷生坯埋入；含氫滲碳介質(zhì)與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，并確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質(zhì)厚度大于5mm；然后在5~15mpa壓力下緊實(shí)含氫滲碳介質(zhì)，使其體積縮小到松裝狀態(tài)的40~60%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止?jié)B碳介質(zhì)逸出；
（4）表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備：在真空燒結(jié)爐中1350～1500℃保溫1～3h，碳元素由含氫滲碳介質(zhì)向金屬陶瓷表面擴(kuò)散，形成400~900μm厚的表面自潤滑層，最終實(shí)現(xiàn)表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備。
本發(fā)明的基于碳遷移的表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備方法，其進(jìn)一步的特征在于：
（1）金屬陶瓷生坯制備時球磨時間為24～72h，過濾采用400目篩網(wǎng)，干燥在85～100℃進(jìn)行，按金屬陶瓷粉末重量的50～120%摻入丁鈉橡膠成型劑，在300～400mpa壓力下壓制成型；金屬陶瓷生坯脫除成型劑時，升溫速度為1～5℃/min；
（2）含氫滲碳介質(zhì)配制時，超聲處理時超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，配制溶液使用的溶劑中去離子水與無水乙醇的體積比為1:10，制備無定形si-c-o包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末時，磁力攪拌的速度為20～50r/min，核/殼結(jié)構(gòu)粉末、石墨烯、na2co3混合行星球磨時，轉(zhuǎn)速為300r/min;
（3）生坯在滲碳介質(zhì)中裝填時所用的石墨坩堝的石墨材質(zhì)抗折強(qiáng)度大于20mpa；
（4）表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備時，先以5～10℃/min升溫到500～650℃并保溫1～2h；然后以5～10℃/min升溫到1100～1250℃并保溫1～3h；再以5～10℃/min升溫到1350～1500℃并保溫1～3h，燒結(jié)真空度為1～5pa；燒結(jié)結(jié)束后的降溫速度為1～8℃/min。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）以多孔生坯作為滲碳基體，在燒結(jié)過程中原位實(shí)現(xiàn)表面滲碳，這與傳統(tǒng)的先燒結(jié)再滲碳相比工藝更簡潔，且不會存在晶粒二次長大的問題；（2）滲碳劑中引入金屬氫化物tih2，在燒結(jié)過程中分解出h2并與石墨烯發(fā)生c+2h2=ch4，ch4=[c]+h2，形成的活性碳原子進(jìn)入金屬中實(shí)現(xiàn)滲碳；無定形si-c-o包覆在tih2表面可控制h2釋放速率，避免快速耗盡；（3）生坯脫除成型劑后形成的多孔生坯具有巨大的表面積，有利于活性碳原子的吸附和滲碳效率的提高；（4）提出通過控制滲碳介質(zhì)的緊實(shí)度來確保滲碳介質(zhì)與金屬陶瓷之間的接觸，提高滲碳效率；（5）采用石墨烯為碳源，其粒度小反應(yīng)活性更大，滲碳效率高。
附圖說明
圖1本發(fā)明的基于碳遷移的表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備方法的工藝示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)例1：按以下步驟制備表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷：
（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯制備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni占15wt%，mo2c占10wt%，wc占5%，tic0.7n0.3為余量；將稱取的粉末混合并經(jīng)過28h球磨、400目篩網(wǎng)過濾、100℃干燥、按金屬陶瓷粉末重量的80%摻入丁鈉橡膠成型劑、在300mpa壓制成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結(jié)爐中650℃保溫2h，升溫速度為1℃/min，真空度為20pa,形成孔隙度為38%的脫除成型劑的金屬陶瓷生坯；
（2）含氫滲碳介質(zhì)配制：先稱取粒度為0.5μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2占35wt%的混合液，然后進(jìn)行20min的超聲分散處理，超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，并在80℃和真空度為15pa條件下真空干燥1h；再以去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配制溶液，去離子水與無水乙醇的體積比為1:10，按濃度為0.15mol/l加入聚碳硅烷，按濃度為1.5mol/l加入經(jīng)過超聲分散的tih2粉末，并用ch3cooh調(diào)節(jié)ph值到5,然后在磁力攪拌器中70℃下攪拌14h，磁力攪拌的速度為50r/min，并在130℃下干燥1h，得到無定形si-c-o包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末；再將無定形si-c-o包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末，厚度小于3nm、層數(shù)小于3層且比表面積大于250m2/g的石墨烯，na2co3三種物質(zhì)按重量百分比2:1:1混合，并在行星球磨機(jī)中球磨2h，攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min，制成含氫滲碳介質(zhì)；
（3）生坯在含氫滲碳介質(zhì)中的裝填：先將含氫滲碳介質(zhì)裝入石墨坩堝中，石墨坩堝的石墨材質(zhì)抗折強(qiáng)度大于20mpa，再將脫除成型劑的金屬陶瓷生坯埋入；含氫滲碳介質(zhì)與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，并確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質(zhì)厚度大于5mm；然后在8mpa壓力下緊實(shí)含氫滲碳介質(zhì)，使其體積縮小到松裝狀態(tài)的55%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止?jié)B碳介質(zhì)逸出；
（4）表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備：在真空燒結(jié)爐中先以8℃/min升溫到500℃并保溫1h；然后以7℃/min升溫到1200℃并保溫3h；再以9℃/min升溫到1410℃并保溫2h，燒結(jié)真空度為2pa；燒結(jié)結(jié)束后的降溫速度為7℃/min，碳元素由含氫滲碳介質(zhì)向金屬陶瓷表面擴(kuò)散，形成450μm厚的表面自潤滑層，最終實(shí)現(xiàn)表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備。
實(shí)例2：按以下步驟制備表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷：
（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯制備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni占20wt%，co占5wt%，mo2c占8wt%，wc占5wt%，tic0.7n0.3為余量；將稱取的粉末混合并經(jīng)過72h球磨、400目篩網(wǎng)過濾、85℃干燥、按金屬陶瓷粉末重量的70%摻入丁鈉橡膠成型劑、在300mpa壓制成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結(jié)爐中650℃保溫4h，升溫速度為4℃/min，真空度為10pa,形成孔隙度為29%的脫除成型劑的金屬陶瓷生坯；
（2）含氫滲碳介質(zhì)配制：先稱取粒度為0.5μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2占35wt%的混合液，然后進(jìn)行27min的超聲分散處理，超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，并在84℃和真空度為12pa條件下真空干燥1h；再以去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配制溶液，去離子水與無水乙醇的體積比為1:10，按濃度為0.4mol/l加入聚碳硅烷，按濃度為4mol/l加入經(jīng)過超聲分散的tih2粉末，并用ch3cooh調(diào)節(jié)ph值到3,然后在磁力攪拌器中60℃下攪拌8h，磁力攪拌的速度為30r/min，并在135℃下干燥3h，得到無定形si-c-o包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末；再將無定形si-c-o包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末，厚度小于3nm、層數(shù)小于3層且比表面積大于250m2/g的石墨烯，na2co3三種物質(zhì)按重量百分比2:1:1混合，并在行星球磨機(jī)中球磨1h，攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min，制成含氫滲碳介質(zhì)；
（3）生坯在含氫滲碳介質(zhì)中的裝填：先將含氫滲碳介質(zhì)裝入石墨坩堝中，石墨坩堝的石墨材質(zhì)抗折強(qiáng)度大于20mpa，再將脫除成型劑的金屬陶瓷生坯埋入；含氫滲碳介質(zhì)與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，并確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質(zhì)厚度大于5mm；然后在5mpa壓力下緊實(shí)含氫滲碳介質(zhì)，使其體積縮小到松裝狀態(tài)的40%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止?jié)B碳介質(zhì)逸出；
（4）表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備：在真空燒結(jié)爐中先以10℃/min升溫到650℃并保溫1h；然后以8℃/min升溫到1240℃并保溫1h；再以6℃/min升溫到1370℃并保溫2h，燒結(jié)真空度為4pa；燒結(jié)結(jié)束后的降溫速度為2℃/min，碳元素由含氫滲碳介質(zhì)向金屬陶瓷表面擴(kuò)散，形成800μm厚的表面自潤滑層，最終實(shí)現(xiàn)表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷制備。