一种表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法，其特征是先在500～650℃下保温2～4h形成孔隙度为25%～40%的脱除成型剂的金属陶瓷生坯；然后将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m

Method for preparing surface self-lubricating Ti (C, N) base ceramic wear-resistant material

The invention discloses a self-lubricating surface Ti (C, N) based cermets preparation method of wear-resistant material, which is characterized in the first 500 to 650 DEG C for 2 ~ 4H formation porosity of thermal insulation ceramic metal 25% ~ 40% of the green debinding; then the core-shell structure of Al2O3 coated TiH2 powder in the end, the thickness is less than 3nm, less than 3 layers and the specific surface area of more than 250m

【技术实现步骤摘要】
一种表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法
本专利技术涉及一种金属陶瓷材料耐磨材料的制备方法，特别涉及一种表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法，属于耐磨材料领域。
技术介绍
Ti(C,N)基金属陶瓷具有低的摩擦系数和高硬度高耐磨性，可制成密封环、轴套等耐磨零件。为了提高其耐磨损性能，有必要在其表面引入固体润滑剂，形成表面自润滑层。CN104496548A公开了一种金属陶瓷表面处理方法，其采用如下方法：将金属陶瓷坯体置于充满甲磺气体和碳纤维棉混合的碳源气体的真空容器中，在大于或等于陶瓷烧结温度的条件下（1400-1600℃），进行真空渗碳处理，保温2-4小时后取出陶瓷制品，渗碳完毕。钟杰等报道了一种金属陶瓷的双辉渗碳方法，按TiC-10wt%TiN-32wt%Ni-16wt%Mo-8.4wt%WC配料，粉末混合后加适量酒精分散，机械球磨混料24h，转速260r/min，球料比为7：1；球磨后烘干并压制成型,压制压力为300MPa；随后进行真空液相烧结，烧结温度为1430℃，保温60min；烧结后打磨抛光试样表面，装入双辉等离子渗碳设备中进行渗碳，渗碳温度为1200℃，渗碳时间为180min，放电气体为高纯氩气，源极靶材为高纯石墨。（钟杰,郑勇,张一欣.功能梯度Ti(C,N)基金属陶瓷制备技术.复合材料学报，2009，26（3）：111-115）。但是，上述方法是在材料烧结完成后再进行渗碳处理，渗碳时间长，效率不高；而且高温下金属陶瓷材料容易出现晶粒长大，导致材料性能下降。因此，寻找制备表面自润滑金属陶瓷耐磨材料的新方法十分必要。
技术实现思路
本专利技术针对目前制备表面自润滑金属陶瓷耐磨材料时，“烧结+渗碳”工艺存在的晶粒长大严重、渗碳时间长、效率低的问题，提出先将金属陶瓷压坯脱除成型剂使其形成多孔生坯，再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末、石墨烯混合行星球磨时均匀混合形成含氢渗碳介质，然后将多孔生坯放入渗碳介质中并进行紧实，最后进行液相烧结时实现表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料制备。本专利技术的表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：（1）脱成型剂金属陶瓷生坯制备：按重量百分比称取各种原料粉末配料，其中Ni占5～20wt%，Co占0～20wt%，Mo2C占5～15wt%，WC占5～20wt%，TiC0.7N0.3为余量；将称取的粉末混合并经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂、压制成型得到金属陶瓷生坯；金属陶瓷生坯在真空烧结炉中500～650℃保温2～4h，真空度为10～25Pa,形成孔隙度为25%～40%的脱除成型剂的金属陶瓷生坯；（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为0.5~1.5μm的TiH2粉末加入到无水乙醇中形成TiH2占35wt%的混合液，然后进行20~40min的超声分散处理，并在80~100℃和真空度为10～20Pa条件下真空干燥1h；再以去离子水和无水乙醇混合液为溶剂配制溶液，按浓度为0.1～0.8mol/L加入Al(NO3)3，按Al(NO3)3浓度的10倍加入经过超声分散的TiH2粉末，并用CH3COOH调节pH值到3～6,然后在磁力搅拌器中60～80℃下搅拌8～24h，并在120~150℃下干燥1～3h，得到Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m2/g的石墨烯混合，两种物质按重量百分比2:1混合，并在行星球磨机中球磨1~2h，制成含氢渗碳介质；（3）生坯在含氢渗碳介质中的装填：先将含氢渗碳介质装入石墨坩埚中，再将脱除成型剂的金属陶瓷生坯埋入；含氢渗碳介质与脱成型剂金属陶瓷生坯的重量比为5:1，并确保脱成型剂金属陶瓷生坯周围的含氢渗碳介质厚度大于5mm；然后在5~15MPa压力下紧实含氢渗碳介质，使其体积缩小到松装状态的40~60%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；（4）表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料制备：在真空烧结炉中1350～1500℃保温1～3h，碳元素由含氢渗碳介质向金属陶瓷表面扩散，形成200~600μm厚的表面自润滑层，最终实现表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料制备。本专利技术的表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法，其进一步的特征在于：（1）金属陶瓷生坯制备时球磨时间为24～72h，过滤采用400目筛网，干燥在85～100℃进行，按金属陶瓷粉末重量的50～120%掺入丁钠橡胶成型剂，在300～400MPa压力下压制成型；金属陶瓷生坯脱除成型剂时，升温速度为1～5℃/min；（2）含氢渗碳介质配制时，超声处理时超声波的频率为4×104Hz,功率为100W，配制溶液使用的溶剂中去离子水与无水乙醇的体积比为1:10，制备Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末时，磁力搅拌的速度为20～50r/min，核/壳结构粉末、石墨烯混合行星球磨时，转速为300r/min;（3）生坯在渗碳介质中装填时所用的石墨坩埚的石墨材质抗折强度大于20MPa；（4）表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料制备时，先以5～10℃/min升温到500～650℃并保温1～2h；然后以5～10℃/min升温到1100～1250℃并保温1～3h；再以5～10℃/min升温到1350～1500℃并保温1～3h，烧结真空度为1～5Pa；烧结结束后的降温速度为1～8℃/min。本专利技术的优点在于：（1）以多孔生坯作为渗碳基体，在烧结过程中原位实现表面渗碳，这与传统的先烧结再渗碳相比工艺更简洁，且不会存在晶粒二次长大的问题；（2）渗碳剂中引入金属氢化物TiH2，在烧结过程中分解出H2并与石墨烯发生C+2H2=CH4，CH4=[C]+H2，形成的活性碳原子进入金属中实现渗碳；Al2O3包覆在TiH2表面可控制H2释放速率，避免快速耗尽；（3）生坯脱除成型剂后形成的多孔生坯具有巨大的表面积，有利于活性碳原子的吸附和渗碳效率的提高；（4）提出通过控制渗碳介质的紧实度来确保渗碳介质与金属陶瓷之间的接触，提高渗碳效率；（5）采用石墨烯为碳源，其粒度小反应活性更大，渗碳效率高。附图说明图1本专利技术的表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法的工艺示意图。具体实施方式实例1：按以下步骤制备表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料：（1）脱成型剂金属陶瓷生坯制备：按重量百分比称取各种原料粉末配料，其中Ni占6wt%，Co占8wt%，Mo2C占5wt%，WC占7wt%，TiC0.7N0.3为余量；将称取的粉末混合并经过36h球磨、400目筛网过滤、88℃干燥、按金属陶瓷粉末重量的70%掺入丁钠橡胶成型剂、在320MPa压制成型得到金属陶瓷生坯；金属陶瓷生坯在真空烧结炉中580℃保温2h，升温速度为3℃/min，真空度为15Pa,形成孔隙度为25%的脱除成型剂的金属陶瓷生坯；（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为0.7μm的TiH2粉末加入到无水乙醇中形成TiH2占35wt%的混合液，然后进行22min的超声分散处理，超声波的频率为4×104Hz,功率为100W，并在90℃和真空度为15Pa条件下真空干燥1h；再以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：（1）脱成型剂金属陶瓷生坯制备：按重量百分比称取各种原料粉末配料，其中Ni占5～20wt%，Co占0～20wt%，Mo2C占5～15wt%， WC占5～20wt%，TiC0.7N0.3为余量；将称取的粉末混合并经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂、压制成型得到金属陶瓷生坯；金属陶瓷生坯在真空烧结炉中500～650℃保温2～4h，真空度为10～25Pa, 形成孔隙度为25%～40%的脱除成型剂的金属陶瓷生坯；（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为0.5~1.5μm的TiH2粉末加入到无水乙醇中形成TiH2占35wt%的混合液，然后进行20~40min的超声分散处理，并在80~100℃和真空度为10～20Pa条件下真空干燥1h；再以去离子水和无水乙醇混合液为溶剂配制溶液，按浓度为0.1～0.8mol/L加入Al(NO3)3，按Al(NO3)3浓度的10倍加入经过超声分散的TiH2 粉末，并用CH3COOH调节pH值到3～6, 然后在磁力搅拌器中60～80℃下搅拌8～24h，并在120~150℃下干燥1～3h，得到Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m...

【技术特征摘要】
1.一种表面自润滑Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨材料的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：（1）脱成型剂金属陶瓷生坯制备：按重量百分比称取各种原料粉末配料，其中Ni占5～20wt%，Co占0～20wt%，Mo2C占5～15wt%，WC占5～20wt%，TiC0.7N0.3为余量；将称取的粉末混合并经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂、压制成型得到金属陶瓷生坯；金属陶瓷生坯在真空烧结炉中500～650℃保温2～4h，真空度为10～25Pa,形成孔隙度为25%～40%的脱除成型剂的金属陶瓷生坯；（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为0.5~1.5μm的TiH2粉末加入到无水乙醇中形成TiH2占35wt%的混合液，然后进行20~40min的超声分散处理，并在80~100℃和真空度为10～20Pa条件下真空干燥1h；再以去离子水和无水乙醇混合液为溶剂配制溶液，按浓度为0.1～0.8mol/L加入Al(NO3)3，按Al(NO3)3浓度的10倍加入经过超声分散的TiH2粉末，并用CH3COOH调节pH值到3～6,然后在磁力搅拌器中60～80℃下搅拌8～24h，并在120~150℃下干燥1～3h，得到Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m2/g的石墨烯混合，两种物质按重量百分比2:1混合，并在行星球磨机中球磨1~2h，制成含氢渗碳介质；（3）生坯在含氢渗碳介质中的装填：先将含氢渗碳介质装入石墨坩埚中，再将脱除成型剂的金属陶瓷生坯埋入；含氢渗碳介质与脱成型剂金属陶瓷生坯的重量比为5:1，并确保脱成型剂金属陶瓷生坯周...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭智兴，熊计，周黎明，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51