專利名稱：一種(TiC_xN_y-TiB₂)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高硬度和高耐磨性的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料 及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)航天、航空、汽車及機(jī)械等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于材料的耐高溫、耐磨損及耐 腐蝕等特性的要求越來(lái)越急迫。將單相或者多相陶瓷用金屬相粘結(jié)起來(lái)合成的陶瓷_金屬 復(fù)合材料能夠?qū)⒔饘倭己玫膶?dǎo)熱、導(dǎo)電及好的塑性與陶瓷的耐高溫、耐磨損及耐腐蝕性有 效的結(jié)合起來(lái)，滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需要。例如目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的高硬度、高耐磨WC-Co硬 質(zhì)合金被廣泛的應(yīng)用于勘探鉆井、機(jī)械制造的鉆頭等；TiCxNy基金屬陶瓷用于制作切削刀 具等；TiC基金屬陶瓷用于制作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等和Al203-Cr金屬陶瓷用于制作導(dǎo)彈噴管 襯套等。盡管WC-Co硬質(zhì)合金具有很好的物理特性，但其高的脆性限制了其應(yīng)用。TiC，y陶 瓷，由于其綜合了TiC和TiN這兩種陶瓷的優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)而備受關(guān)注，尤其在制備金屬陶瓷材 料方面。為了進(jìn)一步改善TiCxNy陶瓷基材料的力學(xué)性能及應(yīng)用范圍，通常人們會(huì)向TiCxNy 陶瓷基材料中添加第二相陶瓷，例如WC和TaC等。近年來(lái)，也有一些學(xué)者嘗試著向TiCxNy陶 瓷基材料中加入TiB2來(lái)改善材料的性能。傳統(tǒng)上，合成TiCxNy-TiB2復(fù)合材料的方法是二步 法，即首先分別獲得TiCxNy和TiB2陶瓷粉末，然后按照粉末冶金的方法制備成TiCxNy-TiB2 陶瓷基復(fù)合材料。這樣的制備方法通常需要在高于1700攝氏度的高溫和氣體保護(hù)下來(lái)完 成。另外，在進(jìn)行燒結(jié)前，先將混合好的粉末冷壓成大于98%理論密度的致密壓坯，因此，通 常需要在大約300MPa的壓力下壓制。這些工藝的實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備的要求很高，很大程度上增 加了 TiCxNy-TiB2陶瓷基復(fù)合材料的制備成本，而且材料長(zhǎng)時(shí)間處在高溫環(huán)境下，陶瓷相品 粒尺寸也會(huì)逐漸長(zhǎng)大，從而影響材料的性能。此外，有人在用二步法制備TiCxNy-TiB2陶瓷基 復(fù)合材料時(shí)，為了材料的致密化會(huì)同時(shí)添加Fe、Ni、Cr和Co的金屬粉末混合物作為粘結(jié)劑， 而未見(jiàn)單獨(dú)使用Ni作為粘結(jié)劑的。據(jù)相關(guān)報(bào)道，金屬Ni不但自身具有較高的硬度、熔點(diǎn)及 較好的耐腐蝕性，其處于液態(tài)時(shí)與TiCxNy和TiB2均有較好的潤(rùn)濕性。采用Ni作為粘結(jié)劑， 能有效地提高材料的致密度及材料的高溫力學(xué)性能。因此，急需一種所用設(shè)備簡(jiǎn)單，且能一 步合成的方法來(lái)制備具有高硬度、高耐磨性和相對(duì)較高韌性的組分TiCxNy、 TiB2和Ni按重 量百分比大范圍可調(diào)的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于以Ni，Ti，BN和B4C為原料，通過(guò)燃燒合成與壓力輔助相結(jié)合的 方法制備一種組分按重量百分比為TiCxNy 37 17、TiB2 53 23、Ni 10 60具有高硬度 和高耐磨性的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法。 本發(fā)明是利用Ni、 Ti、 BN和B4C之間放熱反應(yīng)，配合熱擠壓工藝一步合成 (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料，并通過(guò)改變反應(yīng)物中Ni的質(zhì)量百分比來(lái)獲得不同 質(zhì)量分?jǐn)?shù)陶瓷相的復(fù)合材料，以達(dá)到不同應(yīng)用的需求。本發(fā)明其特征在于包括以下步驟
3
步驟1，配料取粉末尺寸為40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微 米的B4C粉和3. O微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩爾比為Ti : B4C : BN =4. 5 : 1 : 1， Ni含量重量百分比為10 60。 步驟2，混料將配好的粉料在滾筒式球磨機(jī)內(nèi)混合8小時(shí)，隨后將混合后的粉末 在研缽中手混15分鐘使粉末混合均勻。 步驟3，壓制成型取適當(dāng)混合后的粉料放入模具中，在室溫下壓制成直徑為22毫 米、高度為30-50毫米的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊密度為混合粉料理論密度的70%。
步驟4， (TiCxNy_TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備將預(yù)制塊放入石墨模具中， 然后在預(yù)制塊上端部位放入一高強(qiáng)度石墨壓桿。將裝有預(yù)制塊的石墨模具放入一帶有液壓 裝置的真空/氣氛保護(hù)的燃燒反應(yīng)爐中以40度每分鐘的升溫速率將預(yù)制塊加熱至950 980攝氏度，引發(fā)燃燒反應(yīng)。 一旦燃燒反應(yīng)發(fā)生，立即對(duì)預(yù)制塊施加3 5MPa的軸向壓力， 保壓30秒后隨爐冷卻至室溫，即合成本發(fā)明的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。


圖1是實(shí)施例1成分(TiCxNy_TiB2) 顯微鏡(SEM)照片； 圖2是實(shí)施例1成分(TiCxNy_TiB2)
圖3是實(shí)施例3成分(TiCxNy-TiB2) 顯微鏡(SEM)照片； 圖4是實(shí)施例3成分(TiCxNy_TiB2)
圖5是實(shí)施例4成分(TiCxNy_TiB2) 顯微鏡(SEM)照片； 圖6是實(shí)施例4成分(TiCxNy_TiB2)
圖7是實(shí)施例5成分(TiCxNy_TiB2) 顯微鏡(SEM)照片； 圖8是實(shí)施例5成分(TiCxNy_TiB2)
'Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的掃描電子
'Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的X射線分析；
'Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的掃描電子
'Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的X射線分析；
'Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的掃描電子
'Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的X射線分析；
'Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的掃描電子
'Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的X射線分析。
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1 參閱圖1、圖2，制取按重量百分比組分組成為TiCxNy37、 TiB253、 NilO的 (TiCxNy_TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。 取粉末尺寸為40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩爾比為Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1，
Ni含量重量百分比為10。將配制的粉料在滾筒式球磨機(jī)上混合8小時(shí)，隨后將混合后的粉 末在研缽中手混15分鐘使粉末混合均勻。將混合好的粉末壓制成為直徑為22毫米、高度 為30毫米的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊密度為混合粉料理論密度的70%。將預(yù)制塊放入 石墨模具中，然后在預(yù)制塊上端部位放入一高強(qiáng)度石墨桿。將裝有預(yù)制塊的石墨模具放入 一帶有液壓裝置的真空/氣氛保護(hù)燃燒反應(yīng)爐內(nèi)以40度每分鐘的升溫速率將預(yù)制塊加熱
4至950 980攝氏度，引發(fā)燃燒反應(yīng)。 一旦反應(yīng)發(fā)生，立即對(duì)預(yù)制塊施加3 5MPa的軸向 壓力，保壓30秒后隨爐冷卻至室溫，即合成本發(fā)明的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材 料。在此成分的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料中制取試樣，在HR-150型洛氏硬度 計(jì)上進(jìn)行硬度測(cè)試，在ML-IOO磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，并與洛氏硬度為78、組分組成 按重量百分比為WC92、 Co8的硬質(zhì)合金(以下簡(jiǎn)稱WC-Co硬質(zhì)合金)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果 顯示，此成分(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料洛氏硬度為68士1。在磨粒尺寸為13微 米的SiC砂紙上，15N載荷下，磨損距離為40米時(shí)，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金屬?gòu)?fù)合 材料的耐磨性為WC-Co硬質(zhì)合金的三分之一。
實(shí)施例2 制取按重量百分比組分組成為TiCxNy33、 TiB247、 Ni20的(TiCxNy_TiB2)/Ni陶 瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。 取粉末尺寸為40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩爾比為Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1， Ni含量重量百分比為20。其制備方法同實(shí)施例l。其洛氏硬度為68.9士1。在磨粒尺寸為 13微米的SiC砂紙上，15N載荷下，磨損距離為40米時(shí)，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金屬 復(fù)合材料的耐磨性為WC-Co硬質(zhì)合金的二分之一。
實(shí)施例3 參閱圖3、圖4，制取按重量百分比組分組成為TiCxNy29、 TiB241、 Ni30的 (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。 取粉末尺寸為40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩爾比為Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1，
Ni含量重量百分比為30。其制備方法同實(shí)施例l。其洛氏硬度為70士1。在磨粒尺寸為13 微米的SiC砂紙上，15N載荷下，磨損距離為40米時(shí)，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金屬?gòu)?fù) 合材料的耐磨性與WC-Co8硬質(zhì)合金相當(dāng)。
實(shí)施例4 參閱圖5、圖6，制取按重量百分比組分組成為TiCxNy25、 TiB235、 Ni40的 (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。 取粉末尺寸為40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩爾比為Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1，
Ni含量重量百分比為40。其制備方法同實(shí)施例l。其洛氏硬度為68士1。在磨粒尺寸為13 微米的SiC砂紙上，15N載荷下，磨損距離為40米時(shí)，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金屬?gòu)?fù) 合材料的耐磨性為WC-Co8硬質(zhì)合金的二分之一。
實(shí)施例5 參閱圖7、圖8，制取按重量百分比組分組成為TiCxNy21、 TiB229、 Ni50的 (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。 取粉末尺寸為40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的B^粉和3. 0 微米的BN粉配料。其中，Ti、B4C和BN的比例按摩爾比為Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1，
Ni含量重量百分比為50。其制備方法同實(shí)施例l。其洛氏硬度為66士1。在磨粒尺寸為13 微米的SiC砂紙上，15N載荷下，磨損距離為40米時(shí)，此成分(TiCxNy-TiB2) /Ni陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料的耐磨性為WC-Co8硬質(zhì)合金的四分之三。
權(quán)利要求
一種(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于利用Ni、Ti、B4C和BN粉末之間的燃燒反應(yīng)結(jié)合熱擠壓工藝合成具有不同Ni含量的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料，其組分按重量百分比為TiCxNy37～17、TiB253～23、Ni10～60。
2. —種用于權(quán)利要求l所述的(TiC，y-TiB》/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其 特征在于采用以下工藝步驟步驟1，配料取粉末尺寸為40 45微米的Ni粉，38 40微米的Ti粉，3. 5微米的 B4C粉和3. O微米的BN粉配料，其中，Ti、B4C和BN的比例按摩爾比為Ti : B4C : BN = 4. 5 : 1 : 1， Ni含量重量百分比為10 60 ;步驟2，混料將配好的粉料在滾筒式球磨機(jī)內(nèi)混合8小時(shí)，隨后將混合后的粉末在研 缽中手混15分鐘使粉末混合均勻；步驟3，壓制成型取適當(dāng)混合后的粉料放入模具中，在室溫下壓制成直徑為22毫米、 高度為30-50毫米的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊密度為混合粉料理論密度的70% ;步驟4， (TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備將預(yù)制塊放入石墨模具中，然后 在預(yù)制塊上端部位放入一高強(qiáng)度石墨壓桿；將裝有預(yù)制塊的石墨模具放入一帶有液壓裝置 的真空/氣氛保護(hù)的燃燒反應(yīng)爐中以40度每分鐘的升溫速率將預(yù)制塊加熱至950 980 攝氏度，引發(fā)燃燒反應(yīng)；一旦燃燒反應(yīng)發(fā)生，立即對(duì)預(yù)制塊施加3 5MPa的軸向壓力，保壓 30秒后隨爐冷卻至室溫，(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷_金屬?gòu)?fù)合材料合成完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用Ni、Ti、B4C和BN粉末，通過(guò)燃燒合成與壓力輔助相結(jié)合的方法合成一種組分按重量百分比為TiCxNy 37～17、TiB2 53～23、Ni 10～60具有高硬度和高耐磨性的(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法。其目的在于利用Ni，Ti，B4C和BN粉末間的燃燒反應(yīng)與熱壓相結(jié)合一步合成(TiCxNy-TiB2)/Ni陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料，以克服傳統(tǒng)粉末冶金法對(duì)設(shè)備及制備工藝要求高的缺點(diǎn)；同時(shí)，由于Ni與TiCxNy和TiB2均具有較好的潤(rùn)濕性，采用Ni作為粘結(jié)劑能有效的提高TiCxNy-TiB2陶瓷基復(fù)合材料的材料的致密度及材料的高溫力學(xué)性能。
文檔編號(hào)B22F3/23GK101787476SQ20101003082
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月18日
發(fā)明者姜啟川, 戰(zhàn)磊, 沈平, 王慧遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)