專利名稱：：SiC晶須增強增韌的Mo₂FeB₂基金屬陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于陶瓷材料及其制備方法，涉及碳化硅晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
：金屬硼化物具有高硬度、高熔點、較高的導(dǎo)熱率和高溫穩(wěn)定性，因而其與金屬復(fù)合的燒結(jié)材料(硼化物基金屬陶瓷)作為工模具材料和耐磨、耐腐蝕以及高溫材料有著巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。與WC-Co硬質(zhì)合金相比，具有下列優(yōu)點(l)作為工模具，在工作過程中，其自身磨損量以及被加工材料的磨損量都比較?。?2)耐高溫及耐腐蝕性能更優(yōu)異；(3)作為鋼基體的涂層時，與基體之間的結(jié)合強度較高；(4)密度僅為硬質(zhì)合金的五分之三；(5)具有良好的導(dǎo)電率，適合加工成復(fù)雜形狀；(6)不含Co這種戰(zhàn)略性物質(zhì)，也不含WC這種較貴的化合物，所用原材料均為常用的、較易獲得的元素，其制造成本比硬質(zhì)合金要便宜許多。目前研究得較多的是以TiB2、Zi^等二元硼化物為基的金屬陶瓷。該類金屬陶瓷在燒結(jié)時，粘結(jié)金屬對硼化物顆粒的潤濕性不佳，燒結(jié)性較差，很難得到致密的燒結(jié)體，并且在燒結(jié)時硼化物相還會與粘結(jié)金屬發(fā)生反應(yīng)生成脆性相。另外，由于采用的都是高純的原材料，因而制造成本較高。上述原因使得高密度高強度硼化物基金屬陶瓷的研制開發(fā)非常困難，為此，人們試驗了多種燒結(jié)助劑，使該材料的綜合性能得到了一定程度的提高，但其綜合力學(xué)性能仍然較低。采用活化燒結(jié)法，使二元硼化物與金屬反應(yīng)生成三元硼化物，能夠獲得硼化物晶粒細小并分布均勻的三元硼化物基金屬陶瓷，有望解決上述問題。近年來，日本、歐美等國家對三元硼化物基金屬陶瓷的研究越來越多，已在耐磨、耐腐蝕等領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，主要開展了Mo2NiB2、Mc^FeB2、WCoB基金屬陶瓷等幾個體系的研究，其中對Mc^FeB2基金屬陶瓷研究得最多。為進一步提高材料的性能，目前常用的方法是優(yōu)化材料的成分、改進燒結(jié)工藝、細化晶粒。表1為日本所研制的具有代表性的Mo2FeB2基金屬陶瓷的性會g(TakagiK.Developmentand即plicationofhighstrengthternaryboridebasecermets.JSolidStateChem2006;179:2809-18.)。目前已研制出的Mo2FeB2基金屬陶瓷在使用過程中反映出的問題是硬度普遍偏低，或者說，如果要使材料保持較高的硬度，無法使其同時具有較高的強度和韌性。表1日本研制的Mo2FeB2基金屬陶瓷的物理性能型號V30V50C50C70H50H70密度/gxm—38.28.38.38.38.18.1硬度HRA898586838380抗彎強度/GPa2.052.252.152.251.701.75斷裂韌性/MWm—3。19.230.018.229.518.223.0國內(nèi)學(xué)者主要是在國外的研究基礎(chǔ)上，利用Mo2FeB2基金屬陶瓷與鋼良好的結(jié)合性能，在鋼基體上制備Mo2FeB2基金屬陶瓷覆層。但是，對于Mo2FeB2基金屬陶瓷的合金化及3制備技術(shù)本身研究得很少，與國外的差距較大，所制備的材料強韌性明顯偏低。鑒于上述情況，有必要對Mo2FeB2基金屬陶瓷材料進行進一步的研究和開發(fā)，使其在具有很高的硬度、耐磨性、紅硬性、耐腐蝕性能等優(yōu)良性能的同時，也具有很高的強度和韌性。只有這樣，才有可能使此種材料在國內(nèi)工模具市場上得到運用，并將其應(yīng)用到高溫、腐蝕、磨損等苛刻的服役條件之下，代替目前大量使用的WC-Co硬質(zhì)合金，廣泛應(yīng)用于機械、冶金、汽車、石化、礦山等行業(yè)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種成本低廉，不但具有很高的硬度，而且也具有較高的強度和韌性的碳化硅晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷及其制備方法。實現(xiàn)本發(fā)明的這種SiC晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷，其特征在于其成份質(zhì)量份數(shù)為Fe為3036，SiC晶須為0.31.2，Mo為4552，B為5.36.5，C為0.41.0，Ni為2.54.5，Cr為2.04.0，Mn為2.010.0。本發(fā)明如前所述SiC晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)采用等離子體對SiC晶須進行表面改性處理，在輝光放電等離子爐中進行，輝光放電等離子處理過程中，所用氬氣純度^99.0%，充入爐腔內(nèi)氬氣壓力為20-100Pa，工作電壓為500-700V，工作電流為0.1-0.3A，處理時間為90-180min;(2)配制符合下述要求的混合料，其成份質(zhì)量份數(shù)為Fe為3036，SiC晶須為0.31.2，Mo為4552，B為5.36.5，C為0.41.0，Ni為2.54.5，Cr為2.04.0，Mn為2.010.0;(3)混料，混料工序在行星式球磨機中進行；(4)加入成型齊U，所加入的成型劑為聚乙烯醇，加入比例為混合料的3mass%_8mass%;(5)壓制成型，所用壓制壓力為120-250MPa;(6)脫脂，在真空度高于lOPa的真空爐中進行，在200-40(TC之間的升溫速度為0.3-0.5°C/min;(7)真空燒結(jié)，在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于5.0X10—2Pa，燒結(jié)溫度為1160-1250。C，保溫時間為20-60min。為實現(xiàn)本目的，在組成成份中加入少量的SiC晶須和一定量的Mn。制備方法特點在于先采用等離子體對SiC晶須進行表面改性處理，然后進行超聲分散，將其作為添加劑，加入到混合料中，配制符合成分要求的混合料，依次經(jīng)混料、成型、脫脂、真空燒結(jié)得到金屬陶瓷燒結(jié)體。SiC晶須通過等離子體轟擊后，其表面活性增強，且纏繞的晶須得以分散，經(jīng)燒結(jié)后與金屬陶瓷基體的界面結(jié)合得以提高，最終主要通過晶須的拔出橋聯(lián)和裂紋轉(zhuǎn)向機制使材料得以增強增韌；在該金屬陶瓷中加入適量的Mn，降低了燒結(jié)時液相形成溫度，提高了液相對固相的潤濕性，從而提高了燒結(jié)體的致密度，同時部分Mn還會固溶于陶瓷相Mo2FeB2中，替代部分Fe原子，改變了該相的價電子結(jié)構(gòu)，改進了該相的本征脆性，從而使金屬陶瓷燒結(jié)體的強韌性得以進一步提高。4本發(fā)明的SiC晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷，其硬度HRA>90.5，抗彎強度ob>2100MPa，斷裂韌性KK>19麗m—3/2。該材料不但具有較高的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、與銅、鋅等有色金屬及其合金之間極低的親和力和摩擦系數(shù)等優(yōu)點，而且其強韌性也很優(yōu)良，可用于制作用于常規(guī)工程材料加工的工具，特別適合制作用于有色金屬加工的工具。與硬質(zhì)合金相比，當(dāng)用于切削普通結(jié)構(gòu)鋼時，其可以允許進刀量提高l-3倍，切削速度提高1倍以上；在切削銅合金時，其耐用度均提高4倍以上；當(dāng)用作模具熱擠壓銅合金型材時，使用壽命與現(xiàn)有硬質(zhì)合金模具相比提高了520倍。該材料也適合于制作注射成型模、汽車氣門熱煅模、空氣壓縮機和氫氣泵的自潤滑氣缸襯墊、海水泵軸承等。另外，本發(fā)明的SiC晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷與鋼的結(jié)合強度比較高，該材料也可廣泛地應(yīng)用在耐磨件、耐高溫件、耐腐蝕件等領(lǐng)域。具體實施例方式以下結(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FeB、FeMo、Fe、Mn、Ni、Cr、石墨、SiC晶須。表2是4種成分配方的混合料。采用不同的工藝參數(shù)將其制備成Mo2FeB2基金屬陶瓷，并分別測定其硬度、抗彎強度和斷裂韌性。表24種混合料的成分配比成分FeMoBSiC晶須MnNiCr石墨1#30475.50.3102.540.72#30505.31.27420.53#32525.80.724.521.04#36456.51.15330.4實施例1:在輝光放電等離子爐中，采用等離子體對SiC晶須進行表面改性處理。充入爐腔內(nèi)氬氣壓力為20Pa，工作電壓為500V，工作電流為0.1A，處理時間為180min;混料，混料工序在行星式球磨機中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為160rpm，時間為24h;成型劑聚乙烯醇的加入量為3mass^，壓制成型所用的壓力為120MPa;脫脂工序在真空度高于10Pa的條件下進行，在200-40(TC之間的升溫速度為0.3°C/min;真空燒結(jié)的真空度高于5.0X10—、a，燒結(jié)溫度為125(TC，保溫時間為20min。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1制備出的不同金屬陶瓷的性能成分1#2#3#4#抗彎強度(Jb(MPa)2286220121182165表面硬度(HRA)90.690.690.791.1斷裂韌性(K,c)22.621.419.419.7實施例2:在輝光放電等離子爐中，采用等離子體對SiC晶須進行表面改性處理。充入爐腔內(nèi)氬氣壓力為50Pa，工作電壓為600V，工作電流為0.2A，處理時間為120min;混料，混料工序在行星式球磨機中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為180rpm，時間為20h;成型劑聚乙烯醇的加入量為5mass^，壓制成型所用的壓力為160MPa;脫脂工序在真空度高于10Pa的條件下進行，在200-40(TC之間的升溫速度為0.4°C/min;真空燒結(jié)的真空度高于5.0X10—乍a，燒結(jié)溫度為116(TC，保溫時間為60min。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2制備出的不同金屬陶瓷的性能成分1#2#3#4#抗彎強度cjb(MPa)2234218521332187表面硬度(HRA)90.690.791.091.2斷裂韌性(K,c)23.122.019.720.4實施例3:在輝光放電等離子爐中，采用等離子體對SiC晶須進行表面改性處理。充入爐腔內(nèi)氬氣壓力為80Pa，工作電壓為700V，工作電流為0.3A，處理時間為90min;混料，混料工序在行星式球磨機中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為220rpm，時間為12h;成型劑聚乙烯醇的加入量為5mass^，壓制成型所用的壓力為200MPa;脫脂工序在真空度高于10Pa的條件下進行，在200-40(TC之間的升溫速度為0.5°C/min;真空燒結(jié)的真空度高于5.0X10—乍a，燒結(jié)溫度為119(TC，保溫時間為40min。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5。表5采用工藝3制備出的不同金屬陶瓷的性能成分2#3#4#抗彎強度CTb(MPa)2336226221492197硬度(HRA)90.790.790.991.2斷裂韌性(K^)31.224.521.822.2實施例4:在輝光放電等離子爐中，采用等離子體對SiC晶須進行表面改性處理。充入爐腔內(nèi)氬氣壓力為100Pa，工作電壓為700V，工作電流為0.3A，處理時間為90min;混料，混料工序在行星式球磨機中進行，球磨機轉(zhuǎn)速為200rpm，時間為12h;成型劑聚乙烯醇的加入量為8mass^，壓制成型所用的壓力為250MPa;脫脂工序在真空度高于10Pa的條件下進行，在200-40(TC之間的升溫速度為0.3°C/min;真空燒結(jié)的真空度高于5.0X10—乍a，燒結(jié)溫度為1220。C，保溫時間為30min。6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6。表6采用工藝4制備出的不同金屬陶瓷的性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>在本權(quán)力書取值范圍內(nèi)，當(dāng)金屬陶瓷基體中Mn的添加量增加時，所得金屬陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性相對較高。制備工藝參數(shù)中，燒結(jié)溫度對性能的影響相對較大，當(dāng)燒結(jié)溫度處于中間值，比如為119(TC時，上述各成分配方的金屬陶瓷綜合力學(xué)性能相對較高?？傊?，在權(quán)利要求書取值范圍內(nèi)，上述因素其對材料力學(xué)性能的影響有限。權(quán)利要求一種SiC晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷，其特征在于其成分質(zhì)量份數(shù)為Fe為30～36，SiC晶須為0.3～1.2，Mo為45～52，B為5.3～6.5，C為0.4～1.0，Ni為2.5～4.5，Cr為2.0～4.0，Mn為2.0～10.0。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷，其特征在于所采用的原料為FeB、FeMo、Fe、Mn、Ni、Cr、石墨、SiC晶須。3.—種SiC晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)、采用等離子體對SiC晶須進行表面改性處理，在輝光放電等離子爐中進行，輝光放電等離子處理過程中，所用氬氣純度^99.0%，充入爐腔內(nèi)氬氣壓力為20-100Pa，工作電壓為500-700V，工作電流為0.1-0.3A，處理時間為90-180min;(2)、配制符合下述要求的混合料，其成分質(zhì)量份數(shù)為Fe為3036，SiC晶須為0.31.2，Mo為4552，B為5.36.5，C為0.41.0，Ni為2.54.5，Cr為2.04.0，Mn為2.010.0;(3)、混料，混料工序在行星式球磨機中進行；(4)、加入成型齊U，所加入的成型劑為聚乙烯醇，加入比例為混合料的Gmass%_&nass%;(5)、壓制成型，所用壓制壓力為120-250MPa;(6)、脫脂，在真空度高于lOPa的真空爐中進行，在200-400°C之間的升溫速度為0.3-0.5°C/min;(7)、真空燒結(jié)，在真空燒結(jié)爐中進行，真空度高于5.0X10—2Pa，燒結(jié)溫度為1160-1250。C，保溫時間為20-60min。全文摘要一種SiC晶須增強增韌的Mo2FeB2基金屬陶瓷及其制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域：
。該金屬陶瓷成分質(zhì)量份數(shù)為Fe為30～36，SiC晶須為0.3～1.2，Mo為45～52，B為5.3～6.5，C為0.4～1.0，Ni為2.5～4.5，Cr為2.0～4.0，Mn為2.0～10.0。制備方法特點在于先采用等離子體對SiC晶須進行表面改性處理，然后進行超聲分散，將其作為添加劑，加入到混合料中，配制符合成分要求的混合料，依次經(jīng)混料、成型、脫脂、真空燒結(jié)得到金屬陶瓷燒結(jié)體。所述材料具有高硬度，高抗彎強度，高斷裂韌性等優(yōu)點。文檔編號C22C49/10GK101736211SQ200910263100公開日2010年6月16日申請日期2009年12月16日優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日發(fā)明者余海洲,吳鵬,龐旭明,承新,袁泉,鄭勇,鄭建智申請人:南京航空航天大學(xué)