一种高致密及高韧性的金属材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属材料及其制备方法；本发明专利技术金属材料以Ti(C，N)为硬质相，面心立方结构的Co为粘结相，(W，Mo，Ta)C固溶体为润湿相；其制备方法包括(W，Mo，Ta)C固溶体制备、粘结润湿相制备、真空球磨、金属陶瓷粉末制备、成型、低压烧结等步骤。本发明专利技术制备得到高致密、高强韧的金属材料，其硬度平均可达HRA92.9，抗弯强度平均可达2200MPa，断裂韧性平均可达12MPa·m

A kind of metal material with high density and toughness and its preparation method

The invention discloses a metal material and a preparation method thereof; the invention of metal materials with Ti (C, N) as the hard phase and face centered cubic structure Co bonding phase (W, Mo, Ta) C solid solution phase; the preparation method comprises (W, Mo, Ta) C solid solution preparation, adhesive wetting phase preparation, vacuum ball milling, metal ceramic powder preparation, molding pressure, sintering and other steps. The metal material with high density and high toughness is prepared by the method, the average hardness is HRA92.9, the bending strength is up to 2200MPa, and the average fracture toughness can reach 12MPa. M

【技术实现步骤摘要】
一种高致密及高韧性的金属材料及其制备方法本专利技术是申请号为201610063681.5、申请日2016年01月29日、专利技术名称为“超细金属陶瓷材料及其制备方法”的分案申请。
本专利技术涉及金属材料
，具体涉及一种金属陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
金属陶瓷是硬质(陶瓷)相和强韧(粘接)相组织结构的一种复合材料。金属陶瓷中陶瓷相是多晶烧结材料，其致命弱点是脆性大、韧性不足。因此对高性能金属陶瓷材料的设计主要方向是克服脆性及提高韧性。金属陶瓷的陶瓷材料的强韧化方法主要有：颗粒增韧、纤维增韧、相变强化、晶须增韧等，此外最重要的，是在陶瓷相中引入的韧性金属作为粘结相，这也是“金属”陶瓷名称的缘由。目前，国内外研究最多的是细晶粒及纳米化，最新成果显示，微纳米金属陶瓷材料能缓解硬度与强度之间的矛盾，抗弯强度(TRS)能达2100Mpa左右，硬度可达92.7HRA左右，其综合性能显著优于普通金属陶瓷。但硬度与强度之间的矛盾依然存在，如何设计材料结构，解决金属陶瓷的韧性问题，有待于进一步的深入研究。粘结相作为金属陶瓷复合材料的主要成分，对其强韧性起主要作用，是新合金材料设计应考虑的关键环节。在以往的报道中，Ti(C，N)基金属陶瓷多以Ni为粘结相，但Ni的含量过高将形成脆性相Ni3M。Ni、Co具有相似的力学性能。Co韧性更优，对硬质相的润湿性优于Ni且其固溶效果好。但有报道显示，粘结相中Co过多时，会使得金属相与硬质相原子间的不匹配度增大，使陶瓷体韧性降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高致密、高强韧的金属材料及其制备方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种金属材料，所述超细金属陶瓷材料以Ti(C，N)为硬质相，面心立方结构的Co为粘结相，(W，Mo，Ta)C固溶体为润湿相；所述超细金属陶瓷材料的组成及质量百分比为：Ti(C，N)45％～50％，面心立方结构的Co16％～20％，(W，Mo，Ta)C固溶体30％～35％；所述超细金属陶瓷材料具有以下2θ角所示的X射线衍射峰：36.59°±0.2°、41.98°±0.2°、43.57°±0.2°、72.93°±0.2°、76.68°±0.2°、43.97°±0.2°、50.86°±0.2°、75.33°±0.2°；所述Ti(C，N)为Ti(C0.7，N0.3)，平均粒径为300～400nm；所述面心立方结构的Co平均粒径为100～300nm；所述(W，Mo，Ta)C固溶体的平均粒径为80～300nm，其中钨、钼、钽和碳的原子摩尔比为3～5∶2～3∶1.5～2∶6.5～10。上述金属材料的制备方法，包括以下步骤：(1)(W，Mo，Ta)C固溶体制备：称取钨粉、钼粉、钽粉以及石墨粉，并加入稀土Re，所述稀土Re为铈族稀土中的至少一种的氧化物，然后将原料与碳化钨球一起装入不锈钢真空球磨罐进行高能球磨，再将反应产物放入高温气氛炉中，在氮氢混合气体气氛下，于800～900℃条件下进行热化合反应，得到(W，Mo，Ta)C固溶体粉末；(2)粘结润湿相制备：按比例称取面心立方结构的Co粉以及步骤(1)得到的(W，Mo，Ta)C固溶体，然后混合球磨，球磨后将料浆卸出后进行喷雾制粒，获得粘结润湿相粉末并置于管式还原炉中通H2还原；(3)真空球磨：按比例将Ti(C，N)粉末与步骤(2)得到的粘结润湿相粉末混合，然后真空球磨；(4)金属陶瓷粉末制备：将步骤(3)真空球磨后的料浆卸出后进行喷雾干燥后制得粒度均匀、流动性良好的金属陶瓷粉末；(5)成型：将步骤(4)得到的金属陶瓷粉末装入模具中进行模压成型；(6)低压烧结：将步骤(5)得到的压坯装入低压烧结炉中进行低压烧结。进一步，所述步骤(2)中，球磨时加入占粉体质量3％～5％的分散剂，以酒精为球磨介质，WC-Co-Ti(C0.7，N0.3)陶瓷球为研磨体，球料比为1∶6～8，球磨速度为500～600转/min，球磨时间为3～5h；所述分散剂为CeO2与VC以3∶1的质量比混合制成，其平均粒度为100～200nm。进一步，所述步骤(2)中，通H2还原时H2流量为50～150ml/min，还原温度为300～400℃，还原时间为1～3h。所述步骤(3)中，真空球磨时加入占粉体质量30％～50％的石蜡，以酒精为球磨介质，WC-Co-Ti(C0.7，N0.3)陶瓷球为研磨体，球料比为1∶5～8，球磨时间为48～96h。所述步骤(5)中，采用双向压机进行模压成型，双向加压，持压10～20s，采用二次加压工艺，压制力为100～160KN。进一步，所述步骤(6)中，按以下工艺进行低压烧结：脱蜡1～2h，温度400℃；分1100℃、1200℃和1300℃三段固相烧结，每段保温30～90min；液相烧结温度1410～1500℃，于烧结结束前15～25min充入4～6MPa氩气，直至烧结完成。本专利技术的有益效果在于：1、钴在常温下通常表现为2种混合结构：以密排六方(α-Co)结构为主，混合面心立方(β-Co)结构。本专利技术从金属的结构和性能的角度分析，发现β-Co具备比α-Co更优异的强韧性：只有3个滑移系α-Co较有12个滑移系的β-Co韧性差，且β-Co与Ti(C，N)结构相同，匹配度高于α-Co，结构优势明显；另外，β-Co具备独特的退火孪晶，比α-Co表现出更好的强韧性能，退火孪晶的CSL(coincidencesitelattice)晶界可以有效阻挡裂纹，减少晶界断裂，提高材料的延展性。因此，本专利技术以面心立方结构β-Co作为粘结相的金属陶瓷具备比其他粘结相金属陶瓷更优异的强韧性。金属镍因优异的韧性及良好的界面匹配度，是一般Ti(C，N)基金属陶瓷的主要粘结相材料；钴的韧性优于镍，但与Ti(C，N)界面结合度不如镍。本专利技术采用(W，Mo，Ta)C固溶体作为润湿相改善相界面，可以显著润湿硬质相与粘结相界面，增加Co原子与硬质相原子之间的匹配度，解决了Co原子与硬质相原子之间的匹配度低于Ni原子的问题，从而提高界面结合强度，显著改善陶瓷体的力学性能。2、本专利技术金属材料制备采用分段制粉法，首先制备高分散、低氧含量的微纳米粘结润湿相粉末，然后再与基础成分Ti(C，N)粉末混合，能使粘结相及润湿相有效均匀分散在陶瓷体内，预防钴及金属碳化物偏析，有效控制缺陷源的产生，从而提高陶瓷体的综合性能。本专利技术金属材料制备采用特殊低压烧结工艺，固相烧结阶段分段保温，使润湿相金属元素充分扩散，有效改善相界面，在适宜的液相烧结温度、时间及一定的压力下，使陶瓷体充分致密，从而获得了比一般金属陶瓷材料更优的结构。综上，本专利技术采用面心立方结构的钴为粘结相，用(W，Mo，Ta)C固溶体作为润湿相改善相界面，以优化金属陶瓷材料的成分；同时采用分段制粉法，先制备粘结润湿相粉末，然后再与基础成分Ti(C，N)粉末混合，结合真空球磨、喷雾干燥及特定的低压烧结工艺，获得高致密、高强韧的金属陶瓷材料；其硬度平均可达HRA92.9，抗弯强度平均可达2200MPa，断裂韧性平均可达12MPa·m1/2。附图说明图1为实施例1制备的金属材料的XRD图谱。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例1(1)(W，Mo，Ta)C固溶体制备：称取钨粉850g、钼粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属材料，其特征在于：所述金属材料以Ti (C,N) 为硬质相，面心立方结构的Co为粘结相，(W,Mo,Ta)C固溶体为润湿相；所述金属材料的组成及质量百分比为：Ti (C,N) 45%~50%，面心立方结构的Co 16%~20%，(W,Mo,Ta)C固溶体30%~35%；所述超细金属陶瓷材料具有以下2θ角所示的X射线衍射峰：36.59°±0.2°、41.98°±0.2°、43.57°±0.2°、72.93°±0.2°、76.68°±0.2°、43.97°±0.2°、50.86°±0.2°、75.33°±0.2°；所述Ti (C,N)为Ti (C0.7,N0.3)，平均粒径为300~400nm；所述面心立方结构的Co平均粒径为100~300nm；所述(W,Mo,Ta)C固溶体的平均粒径为80~300nm，其中钨、钼、钽和碳的原子摩尔比为3~5:2~3:1.5~2: 6.5~10。

【技术特征摘要】
1.一种金属材料，其特征在于：所述金属材料以Ti(C,N)为硬质相，面心立方结构的Co为粘结相，(W,Mo,Ta)C固溶体为润湿相；所述金属材料的组成及质量百分比为：Ti(C,N)45%~50%，面心立方结构的Co16%~20%，(W,Mo,Ta)C固溶体30%~35%；所述超细金属陶瓷材料具有以下2θ角所示的X射线衍射峰：36.59°±0.2°、41.98°±0.2°、43.57°±0.2°、72.93°±0.2°、76.68°±0.2°、43.97°±0.2°、50.86°±0.2°、75.33°±0.2°；所述Ti(C,N)为Ti(C0.7,N0.3)，平均粒径为300~400nm；所述面心立方结构的Co平均粒径为100~300nm；所述(W,Mo,Ta)C固溶体的平均粒径为80~300nm，其中钨、钼、钽和碳的原子摩尔比为3~5:2~3:1.5~2:6.5~10。2.权利要求1所述的金属材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）(W,Mo,Ta)C固溶体制备：称取钨粉、钼粉、钽粉以及石墨粉，并加入稀土Re，所述稀土Re为铈族稀土中的至少一种的氧化物，然后将原料与碳化钨球一起装入不锈钢真空球磨罐进行高能球磨，再将反应产物放入高温气氛炉中，在氮氢混合气体气氛下，于800~900℃条件下进行热化合反应，得到(W,Mo,Ta)C固溶体粉末；（2）粘结润湿相制备：按比例称取面心立方结构的Co粉以及步骤（1）得到的(W,Mo,Ta)C固溶体，然后混合球磨，球磨后将料浆卸出后进行喷雾制粒，获得粘结润湿相粉末并置于管式还原炉中通H2还原；（3）真空球磨：按比例将Ti(C,N)粉末与步骤（2）得到的粘结润湿相粉末混合，然后真空球磨；（4）金属陶瓷粉末制备：将步骤（3）真空球磨后的料浆卸出后进行喷雾干燥后制得粒度均匀、流动性良好的金属陶瓷粉末；（5）成型：将步骤（4）得到的金属陶瓷粉末装入模具中进行模压成型；（6）低压烧结：将步骤（5）得到的压坯装入低压烧结炉中进行低压烧结。3.根据权利要求2所述的金属材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，球磨时加入占粉体质量3%~5%的分散剂，以酒精为球磨介质，WC-Co-Ti(C0.7,N0.3)陶瓷球为研磨体，球料比为1：6~8，球磨速度为500~600转/min，球磨时间为3~5h；所述分散剂为CeO2与VC以3:1的质量比混合制成，其平均粒度为100~200nm。4.根据权利要求2所述的金属材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，通H2还原时H2流量为50~150ml/min，还原温度为300~400℃，还原时间为1~3h。5.根据权利要求2所述的金属材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，真空球磨时加入占粉体质量30%~50%的石蜡，以酒精为球磨介质，WC-Co-Ti(C0.7...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓莹，邓玲，张艳华，姜中涛，涂铭旌，陈慧，敬小龙，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50