一种采用Ni3Al和Ni为粘结剂的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法

摘要

一种采用Ni3Al和Ni为粘结剂的Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法，属于金属陶瓷材料和粉末冶金技术领域。本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷，由原料经球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结制备而成，所述原料中各化学成分的重量百分比为：TiC34.2～43％、TiN8～15％、Mo10～15％、WC5～10％、石墨0.8～1.0％、Ni20～24％、含B的Ni3Al6～10％。本发明的制备方法，包括Ni3Al粉制备、球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结步骤。本发明以Ni粉与含B的Ni3Al粉作为粘结剂，所制备的Ti(C，N)基金属陶瓷，具有优异的抗腐蚀性、抗氧化性和高温力学性能，硬度89.0～91.9HRA，室温抗弯强度≥1600MPa，断裂韧性≥14MPa·m1/2，适合制作高速切削刀具、模具和耐热耐蚀零部件。

权利要求

1.一种采用Ni3Al和Ni为粘结剂的Ti(C，N)基金属陶瓷，由原料经球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结制备而成，其特征在于：所述原料由TiC、TiN、Mo、WC、石墨、Ni粉和含B的Ni3Al粉构成，原料中各化学成分的重量百分比为：TiC34.2～43％、TiN8～15％、Mo10～15％、WC5～10％、石墨0.8～1.0％、Ni20～24％、含B的Ni3Al6～10％；

所述含B的Ni3Al粉中，各组元重量百分比为：Ni87.23～88.48％，Al11.47～

12.68％，B0.5～1.0％。

2.权利要求1所述的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，包括Ni3Al粉制备、球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结步骤，其特征在于：(1)Ni3Al粉制备步骤：以纯度≥99.0％的Ni、Al和B粉为原料，按重量百分比Ni87.23～88.48％，Al11.47～12.68％，B0.5～1.0％制成混合料，对混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的混合料料浆，混合料料浆干燥后，进行真空热处理获得多孔疏松的含B的Ni3Al烧结块体；将含B的Ni3Al烧结块体粉碎，获得含B的Ni3Al粉；

(2)球磨混料步骤：采用TiC、TiN、Mo、WC、石墨、Ni粉以及所述含B的Ni3Al粉为原料配制金属陶瓷混合料，原料中各化学成分的重量百分比为：TiC34.2～43％、TiN8～15％、Mo10～15％、WC5～10％、石墨0.8～1.0％、Ni20～24％、含B的Ni3Al6～10％，对金属陶瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的金属陶瓷料浆；

(3)模压成形步骤：金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，添加重量百分比为1％～2％的聚乙二醇(PEG)作为成形剂，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得压坯；

(4)真空脱脂步骤：将压坯在250℃～350℃温度下，真空脱脂4h～10h，得到脱脂压坯；

(5)真空烧结步骤：将脱脂压坯在1450℃～1490℃温度下，真空烧结0.75h～1.5h，得到金属陶瓷烧结体。

3.如权利要求2所述的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：

所述Ni3Al粉制备步骤中，所述湿式球磨的球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金球，球料质量比为5∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间12h～24h；所述真空热处理温度为1000℃～1200℃，真空热处理时间1h～1.5h。

4.如权利要求2所述的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：

所述球磨混料步骤中，所述湿式球磨球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。

说明书

一种采用Ni3Al和Ni为粘结剂的Ti(C ,N)基金属陶瓷及

其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属陶瓷材料和粉末冶金技术领域，具体涉及一种采用Ni3Al和Ni为粘结剂的Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

[0002] 为了解决传统WC-Co硬质合金材料面临的W、Co资源瓶颈问题，满足制造业发展对高端工模具的迫切需求，上世纪20年代末30年代初，德国开始用熔点和硬度高、资源丰富的TiC取代WC作陶瓷相，用化学稳定性好和资源较丰富的Ni取代Co作金属粘结剂，制备TiC基金属陶瓷，但由于Ni对Ti(C，N)颗粒的润湿性差，TiC-Ni金属陶瓷难以具有高的强韧性，致使其无法应用。1956年，美国福特汽车公司研究发现，在TiC-Ni金属陶瓷中引入适量Mo，可改善液态Ni对TiC陶瓷晶粒的润湿性，使陶瓷晶粒显著细化和烧结体致密化，从而使材料抗弯强度大幅度提高。这一发现是制备TiC基金属陶瓷的重大技术突破。1971年，奥地利维也纳工业大学R.Kieffer等人研究发现，引入适量TiN后，TiC-Mo2C-Ni金属陶瓷的室温和高温力学性能明显提高，由此掀起了Ti(C，N)基金属陶瓷的研究热潮。

[0003] 金属间化合物Ni3Al具有比刚度高、弹性模量高、密度低、抗腐蚀性和高温抗氧化性好，且Ni3Al的屈服强度随温度的升高而增大至700～900℃时达到最大的优异特性，因此采用Ni3Al作粘结剂有利于提高Ti(C，N)基金属陶瓷的抗腐蚀性，抗氧化性和高温力学性能。然而Ni3Al的室温塑性和韧性较差，采用Ni3Al作粘结剂的Ti(C，N)基金属陶瓷室温强韧性低，脆性大，致使其无法工程应用。

发明内容

[0004] 本发明提供一种采用Ni3Al和Ni为粘结剂的Ti(C，N)基金属陶瓷，同时提供其制备方法，目的在于使Ti(C，N)基金属陶瓷不仅具有良好的强韧性，还具有优异的抗腐蚀性，抗氧化性和高温力学性能。

[0005] 本发明所提供的一种采用Ni3Al和Ni为粘结剂的Ti(C，N)基金属陶瓷，由原料经球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结制备而成，其特征在于：

[0006] 所述原料由TiC、TiN、Mo、WC、石墨、Ni粉和含B的Ni3Al粉构成，原料中各化学成分的重量百分比为：TiC34.2～43％、TiN8～15％、Mo10～15％、WC5～10％、石墨0.8～1.0％、Ni20～24％、含B的Ni3Al6～10％；

[0007] 所述含B的Ni3Al粉中，各组元重量百分比为：Ni87.23～88.48％，Al11.47～12.68％，B0.5～1.0％。

[0008] 所述的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，包括Ni3Al粉制备、球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结步骤，其特征在于：

[0009] (1)Ni3Al粉制备步骤：以纯度≥99.0％的Ni、Al和B粉为原料，按重量百分比Ni87.23～88.48％，Al11.47～12.68％，B0.5～1.0％制成混合料，对混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的混合料料浆，混合料料浆干燥后，进行真空热处理获得多孔疏松的含B的Ni3Al烧结块体；将含B的Ni3Al烧结块体粉碎，获得含B的Ni3Al粉；

[0010] (2)球磨混料步骤：采用TiC、TiN、Mo、WC、石墨、Ni粉以及所述含B的Ni3Al粉为原料配制金属陶瓷混合料，原料中各化学成分的重量百分比为：TiC34.2～43％、TiN8～15％、Mo10～15％、WC5～10％、石墨0.8～1.0％、Ni20～24％、含B的Ni3Al6～10％，对金属陶瓷混合料进行湿 式球磨，获得成分均匀的金属陶瓷料浆；

[0011] (3)模压成形步骤：金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，添加重量百分比为1％～2％的聚乙二醇(PEG)作为成形剂，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得压坯；

[0012] (4)真空脱脂步骤：将压坯在250℃～350℃温度下，真空脱脂4h～10h，得到脱脂压坯；

[0013] (5)真空烧结步骤：将脱脂压坯在1450℃～1490℃温度下，真空烧结0.75h～1.5h，得到金属陶瓷烧结体。

[0014] 所述Ni3Al粉制备步骤中，所述湿式球磨的球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金球，球料质量比为5∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间12h～24h；所述真空热处理温度为1000℃～1200℃，真空热处理时间1h～1.5h。

[0015] 所述球磨混料步骤中，所述湿式球磨球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。

[0016] 研究证实，Ni3Al对TiC、TiN和WC不仅具有一定的润湿性而且具有一定的溶解度；而且Mo的添加可以改善它们之间的润湿性；研究还表明，随着温度升高Ni3Al的屈服强度会相应地提高，到900℃达到最大值。但是，Ni3Al具有较大的脆性，其中包括本征脆性和环境脆性，其主要原因是：(a)Ni3Al中Ni原子与Al原子之间化合价和电负性相差较大导致晶粒结合强度较弱；(b)由于维持Ni3Al晶界的化学有序性而导致晶界滑移困难；(c)Ni3Al中存在原子尺度的柱状微孔，滑移时会成为裂纹源。环境脆性主要是与环境中的水蒸气有关，Ni3Al与环境中的水蒸气发生反应，吸收O原子而释放 出H原子，H原子吸附在晶界上导致晶界脆性。添加B可以有效的缓解Ni3Al的晶界脆性。研究表明，合金化重量百分比0.1％B可提高Ni3Al50％以上的韧性。B在晶界处偏析，降低晶界脆性主要是通过两种机制：(a)提高晶界结合强度；(b)可以使滑移转移通过晶界，同时B偏析聚集在晶界上阻止了H原子的沿晶界扩散。本发明采用对粘结剂添加微量B，显著改善Ni3Al粘结剂的室温塑性和韧性，使其用于金属陶瓷的粘结相成为可能。

[0017] 本发明所提供的制备方法，从综合性能角度考虑，以Ni粉与含B的Ni3Al粉作为粘结剂，通过合金化制备出含B的Ni3Al，再将其与Ni按一定比例混合，作为Ti(C，N)基金属陶瓷的粘结剂，不仅可提高Ti(C，N)基金属陶瓷的抗腐蚀性、抗氧化性和高温力学性能，还可保证其具有良好的室温力学性能。

[0018] 本发明所制备的Ti(C，N)基金属陶瓷，具有优异的抗腐蚀性、抗氧化性和高温力1/2
学性能，硬度89.0～91.9HRA，室温抗弯强度≥1600MPa，断裂韧性≥14MPa·m ，适合制作高速切削刀具、模具和耐热耐蚀零部件。

[0019] 说明书附图

[0020] 图1为本发明第一组实施例中A1组Ni3Al混合料热处理前后的X射线衍射图谱。

具体实施方式

[0021] 以下结合具体实施例对本发明进一步说明。

[0022] 第一组实施例，包括Ni3Al粉制备、球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结步骤：

[0023] (1)Ni3Al粉制备步骤：以纯度≥99.0％的Ni、Al和B粉为原料，按照表1所示重量百分比，制成A1、A2、A3，A4四组混合料，各组混合料原料粉末的平均粒度、纯度与氧含量如表2所示；

[0024] 对四组混合料分别进行湿式球磨，获得成分均匀的混合料料浆，混合料料浆干燥后，进行真空热处理获得多孔疏松的含B的Ni3Al烧结块体；将含B的Ni3Al烧结块体粉碎，获得A1～A4四组含B的Ni3Al粉；

[0025] 所述湿式球磨的球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金球，球磨工艺参数和真空热处理工艺参数如表3所示：

[0026] 球料质量比为5∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间12h～24h；所述真空热处理温度为1000℃～1200℃，真空热处理时间1h～1.5h。

[0027] 对A1组含B的Ni3Al混合料热处理前后的粉末进行XRD分析，结果如图1所示，图1的横轴为衍射角2θ，单位为“°”；纵轴为强度；图1中下方曲线为热处理前混合料的X射线衍射图谱，上方曲线为热处理后含B的Ni3Al粉的X射线衍射图谱，对照Ni3Al标准粉末衍射卡组(PDF)卡片，表明成功获得含B的Ni3Al粉；

[0028] 表1Ni3Al金属间化合物名义成分及各原料的重量百分比

[0029]

[0030] 表2原料粉末平均粒度、纯度及氧含量

[0031]

[0032] 表3Ni3Al的制备工艺

[0033]

[0034] (2)球磨混料步骤：采用TiC、TiN、Mo、WC、石墨、Ni粉以及所述含B的Ni3Al粉为原料，按照表4所示各化学成分的重量百分比，配制B1～B12共十二组金属陶瓷混合料；分别对十二组金属陶瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的B1～B12共十二组金属陶瓷料浆；

[0035] 表4B组Ti(C，N)基金属陶瓷各组元的重量百分比

[0036]

[0037] 所述湿式球磨球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。各组金属陶瓷混合料对应的球磨工艺如表5所示，其中B1～B3组对应A1 组含B的Ni3Al粉，B4～B6组对应A2组含B的Ni3Al粉，B7～B9组对应A3组含B的Ni3Al粉，B10～B12组对应A4组含B的Ni3Al粉；

[0038] (3)模压成形步骤：十二组金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，分别添加重量百分比为1％～2％的聚乙二醇(PEG)作为成形剂，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得十二组压坯；

[0039] (4)真空脱脂步骤：将十二组压坯在250℃～350℃温度下，真空脱脂4h～10h，得到十二组脱脂压坯；

[0040] (5)真空烧结步骤：将十二组脱脂压坯在1450℃～1490℃温度下，真空烧结0.75h～1.5h，得到十二组金属陶瓷烧结体；

[0041] 各组金属陶瓷料浆的模压成形、真空脱脂、真空烧结工艺如表5所示，其中B1～B3组对应A1组含B的Ni3Al粉，B4～B6组对应A2组含B的Ni3Al粉，B7～B9组对应A3组含B的Ni3Al粉，B10～B12组对应A4组含B的Ni3Al粉；

[0042] 表5制备Ti(C，N)基金属陶瓷的工艺参数

[0043]

[0044] (6)烧结后的各组金属陶瓷烧结体经粗磨处理后，测试硬度、抗弯强度和断裂韧性，其值如表6所示。

[0045] 表6B组Ti(C，N)基金属陶瓷的力学性能

[0046]

[0047] 第二组实施例，包括Ni3Al粉制备、球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结步骤：

[0048] (1)Ni3Al粉制备步骤：

[0049] 与第一组实施例的Ni3Al粉制备步骤完全相同，获得A1～A4四组含B的Ni3Al粉；

[0050] (2)球磨混料步骤：采用TiC、TiN、Mo、WC、石墨、Ni粉以及所述含B的Ni3Al粉为原料，按照表7所示各化学成分的重量百分比，配制C1～C12共十二组金属陶瓷混合料；分别对十二组金属陶瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的C1～C12共十二组金属陶瓷料浆；

[0051] 所述湿式球磨球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。各组金属陶瓷混合料对应的球磨工艺如表5所示，其中C1～C3组对应A1组含B的Ni3Al粉，C4～C6组对应A2组含B的Ni3Al粉，C7～C9组对应A3组含B的Ni3Al粉，C10～C12组对应A4组含B的Ni3Al粉；

[0052] 表7C组Ti(C，N)基金属陶瓷各组元的重量百分比

[0053]

[0054] (3)模压成形步骤：十二组金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，分别添加重量百分比为1％～2％的聚乙二醇(PEG)作为成形剂，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得十二组压坯；

[0055] (4)真空脱脂步骤：将十二组压坯在250℃～350℃温度下，真空脱脂4h～10h，得到十二组脱脂压坯；

[0056] (5)真空烧结步骤：将十二组脱脂压坯在1450℃～1490℃温度下，真空烧结0.75h～1.5h，得到十二组金属陶瓷烧结体；

[0057] 各组金属陶瓷料浆的模压成形、真空脱脂、真空烧结工艺如表5所示，其中C1～C3组对应A1组含B的Ni3Al粉，C4～C6组对应A2组含B的Ni3Al粉，C7～C9组对应A3组含B的Ni3Al粉，C10～C12组对应A4组含B的Ni3Al粉；

[0058] (6)烧结后的各组金属陶瓷烧结体经粗磨处理后，测试硬度、抗弯强度和断裂韧性，其值如表8所示。

[0059] 表8C组Ti(C，N)基金属陶瓷的力学性能

[0060]

[0061] 第三组实施例，包括Ni3Al粉制备、球磨混料、模压成形、真空脱脂和真空烧结步骤：

[0062] (1)Ni3Al粉制备步骤：

[0063] 与第一组实施例的Ni3Al粉制备步骤完全相同，获得A1～A4四组含B的Ni3Al粉；

[0064] (2)球磨混料步骤：采用TiC、TiN、Mo、WC、石墨、Ni粉以及所述含B的Ni3Al粉为原料，按照表9所示各化学成分的重量百分比，配制D1～D12共十二组金属陶瓷混合料；分别对十二组金属陶瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的D1～D12共十二组金属陶瓷料浆；

[0065] 所述湿式球磨球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质合金磨球，球料质量比为7∶1～10∶1，转速为150rpm～250rpm，球磨时间36h～48h。各组金属陶瓷混合料对应的球磨工艺如表5所示，其中D1～D3组对应A1组含B的Ni3Al粉，D4～D6组对应A2组含B的Ni3Al粉，D7～D9组对应A3组含B的Ni3Al粉，D10～D12组对应A4组含B的Ni3Al粉；

[0066] 表9D组Ti(C，N)基金属陶瓷各组元的重量百分比

[0067]

[0068] (3)模压成形步骤：十二组金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，分别添加重量百分比为1％～2％的聚乙二醇(PEG)作为成形剂，在250MPa～400MPa压力下模压成形，获得十二组压坯；

[0069] (4)真空脱脂步骤：将十二组压坯在250℃～350℃温度下，真空脱脂4h～10h，得到十二组脱脂压坯；

[0070] (5)真空烧结步骤：将十二组脱脂压坯在1450℃～1490℃温度下，真空烧结0.75h～1.5h，得到十二组金属陶瓷烧结体；

[0071] 各组金属陶瓷料浆的模压成形、真空脱脂、真空烧结工艺如表5所示，其中D1～D3组对应A1组含B的Ni3Al粉，D4～D6组对应A2组含B的Ni3Al粉，D7～D9组对应A3组含B的Ni3Al粉，D10～D12组对应A4组含B的Ni3Al粉；

[0072] (6)烧结后的各组金属陶瓷烧结体经粗磨处理后，测试硬度、抗弯强度和断裂韧性，其值如表10所示。

[0073] 表10D组Ti(C，N)基金属陶瓷的力学性能

[0074]