專利名稱：一種晶須增韌金屬陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶須增韌金屬陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
銅合金熱擠壓坯料的溫度650-1100°C，熱擠壓模具是在高溫、高壓、磨損和熱疲勞等惡劣條件下服役的，熱擠壓模具失效最主要是熱疲勞裂紋造成破裂。專利CN1093121A、 CN86107658A,CN1506483A 等通過對金屬 W、Cr、Ni、Fe、Co 及陶瓷相 Al203、La203、(Ti, W, Ta, Nb)C成分及粒度調(diào)整及加工工藝控制，制得的金屬陶瓷材料具有較好的綜合性能，利用其制得的熱擠壓模具在擠壓某銅合金管時平均使用壽命陽次/套。但仍存在不足，平均使用壽命仍不理想。究其原因，雖強硬度及耐磨性高，但韌性不夠，抗熱震性或熱穩(wěn)定性差，易造成模具熱擠壓時產(chǎn)生破裂失效。材料的抗熱震性是其力學性能和熱學性能的綜合表現(xiàn)。熱震斷裂涉及裂紋成核及裂紋擴展，即在熱震環(huán)境中從裂紋成核、擴展，到最終斷裂的全過程。研究得出，裂紋擴展的動力是彈性應變能，裂紋擴展過程即彈性應變能逐步釋放而支付裂紋表面能增量的過程， 一旦應變能向裂紋表面能轉(zhuǎn)化殆盡，裂紋的擴展就終止了。因此控制裂紋成核、擴展是提高韌性及抗熱震性關(guān)鍵。大量研究表明，通過在陶瓷相中添加第二相粒子、纖維或晶須，不僅可以提高強韌性，還能顯著改善抗熱震性。主要是第二相的引入產(chǎn)生各種強韌化機制導致裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋釘扎等有效的阻止了熱震裂紋的形成與擴展。如通過在Al2O3陶瓷基體中添加部分穩(wěn)定的，可以提高Al2O3陶瓷復合材料的抗熱震性。當W(^O2) =20%可使熱震溫度達到310°C。Al2O3-SiCW復合材料的抗熱震性能明顯優(yōu)于Al2O3-TiC復合材料。原因是晶須增韌陶瓷的晶須橋聯(lián)與拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機制的綜合作用大大耗散了熱震裂紋擴展的能量，增大了裂紋擴展的阻力，因此，晶須的存在對由熱震所引起的裂紋擴展起極強的阻礙作用，由晶須所產(chǎn)生的各種增韌機制有效地阻止了裂紋的擴展與合并，使得復合材料表現(xiàn)出極為優(yōu)越的抗熱震的能力。另外，W，Cu, Mo, Ni等金屬粒子，能明顯提高Al2O3的強韌性，降低彈性模量，增大導熱系數(shù)，從而改善材料的抗熱震性能。如采用熱壓燒結(jié)制備的 Al203/Ni 20%網(wǎng)狀復合材料，壓痕法在300-900°C淬火溫度范圍內(nèi)，抗熱震性明顯高于單相陶瓷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種不僅具有良好的熱穩(wěn)定性，高的紅硬性及優(yōu)異的耐磨性，還具備高韌性，高溫下使用壽命提高的晶須增韌金屬陶瓷材料。為達上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下一種晶須增韌金屬陶瓷材料，由金屬陶瓷基體材料和鍍鎳碳化硅晶須組成，具體組分為30-60w%的鎢、20-40w%的鉻、6-20 %的三氧化二鋁、0. 5_7 %的三氧化二鑭、 2-18w%的鎳和0. 1%的鍍鎳碳化硅晶須。上述金屬陶瓷基體材料中的鎢和鉻，鎢具有很好的熱強性和紅硬性，鉻具有高的耐磨性及抗高溫氧化性能；三氧化二鋁和三氧化二鑭可形成固溶體，提高材料的抗熱震性及高溫強度；鎳提高了金屬與陶瓷的結(jié)合強度，改善金屬陶瓷材料的加工性能；采用鍍鎳的碳化硅晶須作為增韌材料，目的是提高碳化硅晶須與金屬陶瓷基體的潤濕性，以提高金屬陶瓷模具的強度及斷裂韌性。本發(fā)明所述的晶須增韌金屬陶瓷材料用作銅合金擠壓模具，與現(xiàn)有的材料相比平均使用壽命由55根/套提高至IM根/套，使用壽命提高一倍以上。本發(fā)明所述晶須增韌金屬陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟(1)碳化硅晶須鍍鎳，將碳化硅晶須分別經(jīng)過純化、敏化、活化處理后再進行化學鍍鎳；(2)原料混合，先將金屬陶瓷基體材料的各組分原料按照所需重量百分比置于球磨機內(nèi)進行濕磨；然后按照所需重量百分比加入步驟(1)制得的鍍鎳碳化硅晶須進行混合；(3)熱壓成型，將步驟(2)混合好的原料于保護性氣體中熱壓燒結(jié)。上述的步驟O)中，金屬陶瓷基體材料的各組分原料濕磨時使用的球磨罐優(yōu)選 yg8球；采用的球磨機優(yōu)選行星式球磨機；球磨時間優(yōu)選15 28小時，轉(zhuǎn)速200 250rpm ； 加入鍍鎳碳化硅晶須后混合球磨的時間優(yōu)選2 8小時，轉(zhuǎn)速150 250rpm。上述的步驟(3)熱壓燒結(jié)時優(yōu)選的工藝的條件為升溫速率20 55°C/min，加熱到1150-1250°C時逐步緩慢加壓到10 25MPa，當燒結(jié)溫度達到1350 1600°C時保溫、保壓，保溫保壓時間為25-35min，之后隨爐冷卻至室溫，降溫速率在25_35°C /min。燒結(jié)保護氣氛優(yōu)選為高純氮氣。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供的晶須增韌金屬陶瓷材料，經(jīng)檢測其硬度86 92HRA，抗彎強度^TC )彡650MPa，斷裂韌性彡13MPa · m1/2，抗熱震穩(wěn)定性1000°C下熱震殘余強度> 300MPa。將本發(fā)明的晶須增韌金屬陶瓷材料應用于熱擠壓模具，跟現(xiàn)有的熱擠壓模具相比抗開裂能力明顯提高，在擠壓某銅合金時平均使用壽命由55根/套提高至106 根/套以上，平均使用壽命大幅提高。
具體實施例方式實施例1-5LSiC晶須的鍍鎳采用SiC晶須平均直徑為10 lOOnm，長度為200 lOOOnm，熔點為2700°C，密度為3. 2g/cm2，彈性模量為414GPa，熱膨脹系數(shù)為3. 27Χ10-6Γ1ο按以下方式進行化學鍍鎳(1)純化將裝載量為2g/L的SiC晶須在按1 :1:1 HNO3-HCl-H2O混合液中攪拌和超聲波進行分散20 30min，加熱煮沸50min，用凈水清洗，最后用去離子水充分沖洗過濾后得到純化的SiC晶須。(2)敏化按1 4 5比例將純化處理的SiC晶須與SnCl2-HCl-H2O混合液一起攪拌，超聲波進行20 30min的分散，用去離子水充分沖洗過濾后得到敏化的SiC晶須。(3)活化將敏化處理的SiC晶須與按1:1:2比例的PbCl2-HCl混合液一起攪拌，超聲波進行20 30min的分散，用去離子水充分沖洗過濾后得到活化的SiC晶須。(4)化學鍍鎳將經(jīng)過活化處理的SiC晶須加入到鍍鎳液(NiSO4. 6H20, NaC2H3O2,NaH2PO2. H2O, Na3C6H5O7. 2H20，十二烷基苯磺酸鈉，比例為 10 10 10 5 1)中，通過化學沉積實現(xiàn)SiC晶須表面鍍鎳，鍍鎳時控制鍍鎳液PH值為5 6，鍍鎳溫度為30 50°C， 反應時間為10 20min，通過攪拌和超聲波進行分散，再經(jīng)清洗、干燥。2.原料混合按下表1所示比例，先將鎢、鉻、三氧化二鋁、三氧化二鑭、鎳置于球磨罐中采用 yg8球在行星式球磨機上進行濕磨，時間20小時，轉(zhuǎn)速200rpm ；再加入鍍鎳碳化硅晶須，進行混合，時間5小時，轉(zhuǎn)速200rpm。表1晶須增韌金屬陶瓷成分(wt. % )
權(quán)利要求
1.一種晶須增韌金屬陶瓷材料，由金屬陶瓷基體材料和鍍鎳碳化硅晶須組成，具體組分為30-60w %的鎢、20-40w %的鉻、6_20w %的三氧化二鋁、0. 5_7w %的三氧化二鑭、 2-18w%的鎳和0. 1%的鍍鎳碳化硅晶須。
2.權(quán)利要求1所述的晶須增韌金屬陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟(1)碳化硅晶須鍍鎳，將碳化硅晶須分別經(jīng)過純化、敏化、活化處理后再進行化學鍍鎳；(2)原料混合，先將金屬陶瓷基體材料的各組分原料按照所需重量百分比置于球磨機內(nèi)進行濕磨；然后按照所需重量百分比加入步驟(1)制得的鍍鎳碳化硅晶須進行混合；(3)熱壓成型，將步驟(2)混合好的原料于保護性氣體中熱壓燒結(jié)。
3.如權(quán)利要求2所述的晶須增韌金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于上述的步驟 (2)使用的球磨機為行星式球磨機，使用的球磨罐為yg8球。
4.如權(quán)利要求2所述的晶須增韌金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于上述的步驟(2)球磨時間為15 28小時，轉(zhuǎn)速200 250rpm；加入鍍鎳碳化硅晶須后混合球磨的時間為2 8小時，轉(zhuǎn)速150 250rpm。
5.如權(quán)利要求2所述的晶須增韌金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于上述的步驟(3)熱壓燒結(jié)時的條件為升溫速率20 55°C/min，加熱到1150_1250°C時逐步加壓到 10 25MPa，當燒結(jié)溫度達到1350 1600°C時保溫、保壓，保溫保壓時間為25-35min，之后隨爐冷卻至室溫，降溫速率在25-35°C /min。
6.如權(quán)利要求2所述的晶須增韌金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于上述的步驟 (3)燒結(jié)保護氣氛為純氮氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種晶須增韌金屬陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述的晶須增韌金屬陶瓷材料由金屬陶瓷基體材料和鍍鎳碳化硅晶須組成，具體組分為30～60w％的鎢、20～40w％的鉻、6～20w％的三氧化二鋁、0.5～7w％的三氧化二鑭、2～18w％的鎳和0.1％～15w％的鍍鎳碳化硅晶須。本發(fā)明的晶須增韌金屬陶瓷材料經(jīng)檢測硬度在86～92HRA，抗彎強度≥650MPa，斷裂韌性≥13MPa·m1/2，抗熱震穩(wěn)定性1000℃下熱震殘余強度≥300MPa。應用于熱擠壓模具時，跟現(xiàn)有的熱擠壓模具相比抗開裂能力明顯提高，在擠壓某銅合金時平均使用壽命由55根/套提高至106根/套以上，平均使用壽命大幅提高。
文檔編號C22C101/14GK102465242SQ20101053884
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者羅兵輝, 鄭洪 , 黎曉桃 申請人:中南大學, 中鋁上海銅業(yè)有限公司