一种金属陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高强度、高硬度、抗锈性能好的金属陶瓷及其制备方法，其具有高强度和高硬度，同时潮湿大气、水及溶液等环境中具有较好的抗锈性。
【背景技术】
[0002]钢基金属陶瓷是一种以陶瓷相和以钢为粘结基体的复合材料，其性能介于普通硬质合金和钢铁之间，同时具有一系列其他优点，使其在许多领域得到广泛的使用。但是多数钢基金属陶瓷在潮湿大气、水及溶液等环境中容易发生氧化，材料在存放、运输、使用过程遭到破坏，使得材料的性能急剧下降，甚至报废，复合材料在某些领域的应用受到限制。虽然许多学着也曾制备过不锈粘结合金的金属陶瓷复合材料，由于原材料材料及工艺选择不当，使得综合性能较差。如徐开鸿等(徐开鸿，李坤达.机械合金化制备TiC弥散增强440C不锈钢复合材料.粉末冶金材料科学与工程.2008, 13 (2):457-462)利用TiC增强440C不锈钢，含TiC为40wt%的复合材料抗弯强度为< 1200MPa、硬度< 60HRC。
【发明内容】
[0003]本发明是针对现有的钢基金属陶瓷复合材料在潮湿大气、水及溶液等环境中存在抗锈性能不足的情况下，提供一种具有较高强度、高强度并具有较好抗锈性能的钢基金属陶瓷复合材料，延长了钢基金属陶瓷在某些领域的使用寿命并拓宽了它们的应用领域。
[0004]本发明的金属陶瓷包括陶瓷相和钢基粘结合金，其化学组成按照质量百分数计算:陶瓷是由碳化物、碳化钛和碳化钼组成；陶瓷的质量分数为40-60%，其中碳化钨、碳化钛、碳化钒和Mo2C的粒径分别是0.25-6 μ m、2-15 μ m，2-10 μ m和2-10 μ m，碳化钨、碳化钒和Mo2C含量分别占陶瓷总质量的5-20 %、0.2-1.0 %、5-10 % ;余量是粘结剂合金，其组成为 Mn:0.8-1.2wt%, S1:0.8-1.2wt%, Cr:15.0-18.0wt %, N1:3.0-6.0wt %,Cu:3.0-6.0wt %, Nb+Ta: 0.4-0.8wt %, C:0.5-0.7wt %,稀土元素 < 0.6wt %，杂质< 0.07wt%，其余为Fe，其中基体合金原料粉的粒径为-300目。
[0005]本发明的金属陶瓷的制备工艺，主要包括以下过程:
[0006]I按照质量百分比，称量0.25-6 μ m的碳化钨粉、2_15 μ m的碳化钛粉、2_10 μ m的碳化钒粉和2-10 μ m的Mo2C粉和-300目的合金原料粉，其中陶瓷相占复合材料的质量分数为40-60 %，碳化钨、碳化钒和Mo2C含量分别占陶瓷总质量的5-20 %、0.2-1.0 %、5_10 %。
[0007]2将上述粉末放入行星球磨机(不锈钢求和不锈钢罐)，按照球料比4:1?10:1进行混料研磨，控制剂和粉料的质量比为500-750ml/kg，球磨时间6_24h，获得原料混合粉；
[0008]3球磨完的混合湿粉用水蒸气在真空条件下进行干燥，干燥的混合粉用筛子进行筛分、掺胶，将掺胶的混合粉再次进行筛分，然后在300-600MPa下压制成形；
[0009]4压坯在1390-1430°C、5-10MPa下进行低压烧结，经过固溶强化(1030-1050°C、油冷)，低温退火(810-830°C、空冷)和时效处理(520-580°C、以3_8°C /min的冷却速度冷却至室温)得到具有高强度、高硬度和不易锈的金属陶瓷陶瓷复合材料。
[0010]本发明的有益效果为:本发明的金属陶瓷具有较高的力学性能，同时粘结合金基体可以有效的改善复合材料在大气、蒸汽、水等介质中的抗锈性能。
[0011]本发明可选用不同粒径原料粉，利用原料粉的韧性不同，配合不同的球料比和球磨时间，得到所需要的颗粒尺寸，达到不同的综合性能。本发明中粘结合金碳含量较低，且N1、Cr含量高，是材料具有较好的耐蚀性能的基础。同时添加稀土元素和含量较高的Cu、Nb、W、Ti等，其中稀土元素能降低产品的表面宏观应力，还可在硬质相和粘结合金之间形成吸附膜，降低扩散运动的自由程，同时可与的杂质发生反应，沉降与晶界间，进行净化与质点强化，达到可以阻碍晶粒长大、提高金属陶瓷的致密度及力学性能；Cu、Nb、W、Ti等经过烧结和热处理析出ε -Cu、NbC、M23C6等相，这些析出相能提高粘结合金的强度和硬度，同时减少含铬碳化物对材料抗锈性能的不良影响。
[0012]本发明的金属陶瓷在抗锈性能好的粘结合金的基础上添加TiC、WC等陶瓷，陶瓷中有些颗粒在烧结过程中会形成晶粒尺寸比较细小的组织，这些细小的颗粒能提高基体抗锈性能，即得到抗锈性较好的金属陶瓷复合材料；金属陶瓷中的陶瓷相低压烧结过程中较普通真空烧结具有更小的长大趋势，从而保持小颗粒的形态，同时低压烧结过程能提高陶瓷相和粘结合金界面强度，还能促进金属陶瓷的致密化，从而提高材料的性能。因此，本发明能得到较高的强度和硬度，同时具有较好的抗锈性能的金属陶瓷复合材料。
【具体实施方式】
[0013]实施例1:按照粘结剂合金含量为6(^%称量粉末:Mn:1.20wt%, S1:1.20wt%,Cr:18wt%, Ni:6wt%, Cu:6wt%, Nb+Ta:0.8wt%, C:0.7wt%，稀土元素:0.6%其余为 Fe。0.6 μ m的碳化妈、3 μ m的碳化钛、3 μ m的碳化f凡和3 μ m的Mo2C,碳化妈、碳化I凡和Mo2C的含量占陶瓷总质量的15%、0.8%和8%。将配好的粉末放入行星球磨机中进行混料研磨6h，其中球料比为4:1，以酒精为过程控制剂，控制剂和粉料的质量比为750ml/Kg ;球磨后的粉用水蒸气在真空下干燥；将干燥的粉过筛、掺胶、干燥、过筛；最后在350Mpa下进行压制，1390°C、6MPa下进行低压烧结，烧结时间为0.5h，经过1050°C X Ih固溶处理(油冷)、8300C X0.5h低温退火(空冷)和570°C X4h时效处理(以4°C /min的冷却速度冷却至室温)得到硬度多64HRC、抗弯强度多2000MPa、抗锈性能好的金属陶瓷复合材料。
[0014]实施例2:按照粘结剂合金含量为50被％称量粉末:Mn:1.20wt%, S1:1.0Owt
Cr:17wt%, Ni:5wt%, Cu:5wt%, Nb+Ta:0.6wt%, C:0.6wt%，稀土元素:0.5%其余为 Fe。2 μ m的碳化妈、6 μ m的碳化钛、6 μ m的碳化I凡和5 μ m的Mo2C,碳化妈、碳化I凡和Mo2C的含量占陶瓷总质量的10%、0.5%和5%。将配好的粉末放入行星球磨机中进行混料研磨12h，其中球料比为10:1，以酒精为过程控制剂，控制剂和粉料的质量比为500ml/Kg ;球磨后的粉用水蒸气在真空下干燥；将干燥的粉过筛、掺胶、干燥、过筛；最后在400Mpa下进行压制，1400°C、8MPa下进行低压烧结，烧结时间为lh，经过1040°C X Ih固溶处理(油冷)、8200C X0.5h低温退火(空冷)和550°C X3h时效处理(以5°C /min的冷却速度冷却至室温)得到硬度多68HRC、抗弯强度多1700MPa、抗锈性能好的金属陶瓷复合材料。
[0015]实施例3:按照粘结剂合金含量为40被％称量粉末:Mn:1.20wt%, S1:1.20wt%,Cr: 16wt %，Ni:6wt %，Cu:6wt %，Nb+Ta: 0.6wt %, C:0.6wt %，其余为。5 μ m 的碳化妈、10 μ m的碳化钛、10 μ m的碳化钒和8 μ m的Mo2C,碳化钨、碳化钒和Mo2C的含量占陶瓷总质量的10%、0.5%和5%。将配好的粉末放入行星球磨机中进行混料研磨24h，其中球料比为8:1、以酒精为过程控制剂，控制剂和粉料的质量比为600ml/Kg ;球磨后的粉用水蒸气在真空下干燥；将干燥的粉过筛、掺胶、干燥、过筛；最后在500Mpa下进行压制，1430°C、10MPa下进行低压烧结，烧结时间为lh，经过1030°C X Ih固溶处理(油冷)、820°C X0.5h低温退火(空冷)和530°C X 3h时效处理(以6°C /min的冷却速度冷却至室温)得到硬度彡70HRC、抗弯强度多1500MPa、抗锈性能好的金属陶瓷复合材料。
[0016]实施例4:按照粘结剂合金含量为50被％称量粉末:Mn:1.0wt %, S1:1.0wtCr:17wt%, Ni:5wt%, Cu:5wt%, Nb+Ta:0.8wt%, C:0.7wt%,其余为 Fe。0.6 μm 的碳化妈、10 μ m的碳化钛、8 μ m的碳化钒和6 μ m的Mo2C,碳化钨、碳化钒和Mo2C的含量占陶瓷总质量的10%、0.5%和8%。将配好的粉末放入行星球磨机中进行混料研磨12h，其中球料比为6:1、以酒精为过程控制剂，控制剂和粉料的质量比为500ml/Kg ;球磨后的粉用水蒸气在真空下干燥；将干燥的粉过筛、掺胶、干燥、过筛；最后在350Mpa下进行压制，1410°C,SMPa下进行低压烧结，烧结时间为lh，经过1040°C X Ih固溶处理(油冷)、820°C X0.5h低温退火(空冷)和550°C X3h时效处理(以5°C /min的冷却速度冷却至室温)处理得到硬度^ 67HRC、抗弯强度多1800MPa、抗锈性能好的金属陶瓷复合材料。
【主权项】
1.一种金属陶瓷，其特征在于包括陶瓷相和粘结合金，成分质量百分比为: 陶瓷相质量分数为40-60 % ;余量是粘结合金，所述粘结合金组成为Mn:0.8-1.2wt %，Si:0.8-1.2wt %，Cr: 15.0-18.0wt %，N1:3.0-6.0wt %，Cu:3.0-6.0wt %，Nb+Ta: 0.4-0.8wt%, C:0.5-0.7wt%,稀土元素< 0.6wt%,杂质 < 0.07wt%,其余为 Fe ； 所述陶瓷相包括碳化钛、碳化钨、碳化钒和Mo2C,其粒度分别是2-15 μπι、0.25-6 μπκ2-10 μπι和2-10 μπι，其中碳化钨、碳化钒和Mo2C含量分别占陶瓷总质量的5_20%、0.2-1.0%, 5-10 %，其余为碳化钛。2.一种制备权利要求1所述的金属陶瓷的方法，其特征在于包括如下步骤: a)按照质量百分比，称量0.25-6 μπι的碳化钨粉、2-15 μπι的碳化钛粉、2-10 μπι的碳化钒粉和2-10 μ m的Mo2C粉和-300目的合金原料粉； b)将上述粉末放入行星球磨机，按照球料比4:1?10:1进行混料研磨，控制剂和粉料的质量比为500-750ml/kg，球磨时间6?24h，获得原料混合粉； c)球磨完的混合湿粉用水蒸气在真空条件下进行干燥，干燥的混合粉用筛子进行筛分、掺胶，将掺胶的混合粉再次进行筛分，然后在300-600MPa下压制成形； d)压坯在1390-1430°C、5-10MPa进行低压烧结，烧结时间为0.5_lh ； e)经过固溶强化，低温退火和时效处理，得到具有高强度、高硬度和防锈的金属陶瓷。3.如权利要求2所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于步骤e)中固溶强化的条件是1030-1050°C、油冷，低温退火的条件是810-830°C、空冷，时效处理的条件是520_580°C、以3-8°C /min的冷却速度冷却至室温。
【专利摘要】本发明涉及一种高强度、高硬度、抗锈性能好的金属陶瓷，包括陶瓷相和粘结合金，陶瓷相是由碳化钨、碳化钛、碳化钒和Mo2C组成，陶瓷的含量为40-60wt％，余量是粘结合金，其组成为Mn：0.8-1.2wt％，Si：0.8-1.2wt％，Cr：15.0-18.0wt％，Ni：3.0-6.0wt％，Cu：3.0-6.0wt％，Nb+Ta:0.4-0.8wt％，C：0.5-0.7wt％，稀土元素≤0.6wt％，杂质≤0.07wt％，其余为Fe。采用粉末冶金方法制备，最后经过固溶强化、低温退火和时效处理得到金属陶瓷复合材料。本发明制备的金属陶瓷硬度高、强度高，同时在潮湿大气、水及溶液等环境中具有较好的抗锈性。
【IPC分类】C22C29/06, C22C30/02, C22C1/05, C22C38/48, C22C33/02
【公开号】CN105177390
【申请号】
【发明人】林涛, 王志, 邵慧萍, 金钟铃, 韩宇超, 何新波
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月28日