一种耐磨复合陶瓷材料及其生产工艺制造技术

一种耐磨复合陶瓷材料，其成分重量百分比为：Ti(C0.65N0.35)65‑66、Cr3C21‑3、WC 1‑3、HfC 1‑3、NbC 1‑3、改性石墨烯1‑2、粘结相为Co 5‑6、Cr 5‑6、Mn 5‑6、Ni 4‑6、Fe 4‑5、Al 4‑5；经过原料准备、原料球磨、成型、真空热压烧结进行制造，最终陶瓷材料硬度为HRA 95‑105，抗弯强度为2300‑2700MPa，断裂韧性为12‑14MPa·m

【技术实现步骤摘要】
一种耐磨复合陶瓷材料及其生产工艺
本专利技术属于陶瓷材料
，特别涉及一种耐磨复合陶瓷材料及其生产工艺。
技术介绍
将至少一种陶瓷相和金属相并采取粉末冶金法制备的复合材料称为金属陶瓷。通常我们所说的硬质合金、钢结硬质合金等应该都属于这一类。但在工程领域，为了与普通的硬质合金等区分，仅将用Ni和/或Co粘结的Ti(C,N)(添加其它碳化物)材料称为金属陶瓷。但是一直以来硬质相、增强相、粘结相均匀分散都存在问题，影响了产品的使用寿命。但就使用性能来讲，Ti(C，N)基陶瓷尚存在强度和韧性不足的弱点，这一弱点不仅影响其使用寿命，而且也使它的使用范围受到限制。因此如何提高Ti(C，N)基金属陶瓷的强韧性就成为材料工作者所关注的问题。而Ti(C，N)基金属陶瓷的耐磨性和韧性之间相互矛盾，而非均匀结构材料可以两者兼顾，使材料的成分和显微组织结构呈阶梯分布，在表层形成硬质相富集区，而在组织内部形成粘结相富集区。用物理涂层或化学涂层的方法在基体材料表面生成耐磨涂层是常用方法之一，但此类方法制备材料的表面与基体之间在成分和微观结构等都存在明显界面，两者的热膨胀系数亦存在区别，因此表面硬化层容易产生裂纹，甚至脱落。另外，在陶瓷材料的具体使用过程中切削表面附近由于存在大量的摩擦热量，会导致陶瓷材料表面与芯部内部热量传导速率不一致，在长期运行的时候会使得内外温差不断增大，考虑到本身Ti(C，N)基金属陶瓷硬质相结构是典型的芯－环结构，即分为内核、内环与外环三部分，因此温度差会引起本身就结构分成的陶瓷材料更容易发生因为热应力引起的热断裂。
技术实现思路
因此现需提供一种长寿命、高强度、高硬度、导热能力强的耐磨复合陶瓷材料。为实现上述目的，本专利技术一方面需要控制陶瓷材料的成分，另一方面需要严格控制陶瓷材料的生产工艺。技术方案如下：一种耐磨复合陶瓷材料，其成分重量百分比为：硬质相为Ti(C0.65N0.35),增强相为Cr3C2或WC或HfC或NbC或改性石墨烯中的至少1种,粘结相为Co、Cr、Mn、Ni、Fe、Al中的至少2种。一种耐磨复合陶瓷材料，其成分重量百分比为：Ti(C0.65N0.35)65-66、Cr3C21-3、WC1-3、HfC1-3、NbC1-3、改性石墨烯1-2、粘结相为Co5-6、Cr5-6、Mn5-6、Ni4-6、Fe4-5、Al4-5。进一步：一种耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：其成分重量百分比为：Ti(C0.65N0.35)65、Cr3C21.5、WC1.5、HfC1.5、NbC1.5、改性石墨烯1、粘结相为Co5、Cr5、Mn5、Ni5、Fe4、Al4。进一步：一种耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：其成分重量百分比为：Ti(C0.65N0.35)65、Cr3C21、WC1、HfC1、NbC1、改性石墨烯1、粘结相为Co5.5、Cr5.5、Mn5.5、Ni5.5、Fe4、Al4。进一步：一种耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：其成分重量百分比为：Ti(C0.65N0.35)66、Cr3C21、WC1、HfC1、NbC1、改性石墨烯2、粘结相为Co5、Cr5、Mn5、Ni4、Fe4.5、Al4.5。如上所述耐磨复合陶瓷材料具体的制备步骤如下：(1)原料准备：依目标成分进行配料，其中的Ti(C0.65N0.35)尺寸为400-500纳米，其中的Cr3C2、WC、HfC、NbC尺寸为4-5微米、改性石墨烯尺寸为1-3微米，其中的Co、Cr、Mn、Ni、Fe、Al以Co-Cr-Mn-Ni-Fe-Al六元高熵合金粉末的形式进行准备，Co-Cr-Mn-Ni-Fe-Al六元高熵合金粉末的生产首先是选取纯度均≥99.9％的原料进行熔炼并除杂得到纯净度高的合金溶液，之后进行雾化制粉，雾化制粉的具体工艺参数为：液流速率为10kg/min～15kg/min，雾化介质为氮气，雾化气流压力为10MPa～15MPa，雾化快速冷凝装置的雾化喷嘴直径为5mm～6mm；雾化结束后待粉末完全冷却，在氮气保护气氛中筛分，得到粒径在10-20微米的Co-Cr-Mn-Ni-Fe-Al六元高熵合金粉末；改性石墨烯的制备是按照目标产品的称取石墨烯，将该石墨烯加入乙醇中超声0.5-1h，得到浓度为0.2-0.4g/L的石墨烯乙醇分散液；将前面获得的粒径在10-20微米的Co-Cr-Mn-Ni-Fe-Al六元高熵合金粉末加入到球磨罐中，再倒入浓度为0.2-0.4g/L的石墨烯乙醇分散液进行高速球磨，按球料比为10:1，球磨转速为200-250r/min，球磨时间5-6h，然后将浆料抽滤、真空烘干，得到高熵合金石墨烯复合粉体；(2)原料球磨：将步骤(1)准备的Ti(C0.65N0.35)、Cr3C2、WC、HfC、NbC、高熵合金石墨烯复合粉体放入真空球磨罐中，以步骤(1)准备原料重量的30-40％称取无水乙醇和以步骤(1)准备原料重量的10-20％称取石蜡混合作为介质，球料比10∶1，为避免粉末在球磨过程中被氧化，以氩气作为保护气体，球磨24-36h，经真空干燥、过筛；(3)成型：将步骤(2)得到的陶瓷粉末装入模具中，采用双向压机进行模压成型，两端加压，两次加压，第一次加压状态是以35-45℃/min的加热速率加热到850℃、并在20MPa下保持2-3小时，第二次加压状态是以25-35℃/min的加热速率加热到在1250℃、并在20MPa下保持2-3小时，此阶段完成脱蜡步骤，成型后对压坯进行修整，检验外观质量；(4)真空热压烧结：将步骤(3)得到的压坯装入真空热压烧结炉中，烧结温度为1600-1900℃、烧结压力为30MPa下保持1小时，在烧结过程同时对烧结体进行超声振动，振动施加的时间为30-40个周期，每个周期是1分钟，具体是超声振动运行30-40秒、停留20-30秒，在最终烧结即将完成前20min充入氩气，直至烧结完成，即得金属陶瓷样品；经检测，最终陶瓷材料硬度为HRA95-105，抗弯强度为2300-2700MPa，断裂韧性为12-14MPa·m1/2，导热系数为95-110W/(m·K)，线膨胀系数为2.5×10-6/℃-4×10-6/℃。进一步：步骤(3)成型：将步骤(2)得到的陶瓷粉末装入模具中，采用双向压机进行模压成型，两端加压，两次加压，第一次加压状态是以40℃/min的加热速率加热到850℃、并在20MPa下保持2-3小时，第二次加压状态是以30℃/min的加热速率加热到在1250℃、并在20MPa下保持2-3小时，此阶段完成脱蜡步骤，成型后对压坯进行修整，检验外观质量。进一步：步骤(4)真空热压烧结：将步骤(3)得到的压坯装入真空热压烧结炉中，烧结温度为1600-1900℃、烧结压力为30MPa下保持1小时，在烧结过程同时对烧结体进行超声振动，振动施加的时间为30-40个周期，每个周期是1分钟，具体是超声振动运行30-40秒、停留20-30秒，在最终烧结即将完成前20min充入氩气，直至烧结完成，即得金属陶瓷样品。接着，说明本专利技术的化学成分的限定理由。此处，关于成分的％意味着质量％。Ti(C，N)是金属陶瓷材料的重要的基础硬质相，它们都属于面心立方结构，可以与多种过渡金属碳化物形成固溶体。Ti(C，N)中C、N的配比对最终金属陶瓷的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐磨复合陶瓷材料，其成分重量百分比为：硬质相为Ti(C0.65N0.35),增强相为Cr3C2或WC或HfC或NbC或改性石墨烯中的至少1种,粘结相为Co、Cr、Mn、Ni、Fe、Al中的至少2种。

【技术特征摘要】
1.一种耐磨复合陶瓷材料，其成分重量百分比为：硬质相为Ti(C0.65N0.35),增强相为Cr3C2或WC或HfC或NbC或改性石墨烯中的至少1种,粘结相为Co、Cr、Mn、Ni、Fe、Al中的至少2种。2.一种耐磨复合陶瓷材料，其成分重量百分比为：Ti(C0.65N0.35)65-66、Cr3C21-3、WC1-3、HfC1-3、NbC1-3、改性石墨烯1-2、粘结相为Co5-6、Cr5-6、Mn5-6、Ni4-6、Fe4-5、Al4-5；具体的制备步骤如下：(1)原料准备：依目标成分进行配料，其中的Ti(C0.65N0.35)尺寸为400-500纳米，其中的Cr3C2、WC、HfC、NbC尺寸为4-5微米、改性石墨烯尺寸为1-3微米，其中的Co、Cr、Mn、Ni、Fe、Al以Co-Cr-Mn-Ni-Fe-Al六元高熵合金粉末的形式进行准备，Co-Cr-Mn-Ni-Fe-Al六元高熵合金粉末的生产首先是选取纯度均≥99.9％的原料进行熔炼并除杂得到纯净度高的合金溶液，之后进行雾化制粉，雾化制粉的具体工艺参数为：液流速率为10kg/min～15kg/min，雾化介质为氮气，雾化气流压力为10MPa～15MPa，雾化快速冷凝装置的雾化喷嘴直径为5mm～6mm；雾化结束后待粉末完全冷却，在氮气保护气氛中筛分，得到粒径在10-20微米的Co-Cr-Mn-Ni-Fe-Al六元高熵合金粉末；改性石墨烯的制备是按照目标产品的称取石墨烯，将该石墨烯加入乙醇中超声0.5-1h，得到浓度为0.2-0.4g/L的石墨烯乙醇分散液；将前面获得的粒径在10-20微米的Co-Cr-Mn-Ni-Fe-Al六元高熵合金粉末加入到球磨罐中，再倒入浓度为0.2-0.4g/L的石墨烯乙醇分散液进行高速球磨，按球料比为10:1，球磨转速为200-250r/min，球磨时间5-6h，然后将浆料抽滤、真空烘干，得到高熵合金石墨烯复合粉体；(2)原料球磨：将步骤(1)准备的Ti(C0.65N0.35)、Cr3C2、WC、HfC、NbC、高熵合金石墨烯复合粉体放入真空球磨罐中，以步骤(1)准备原料重量的30-40％称取无水乙醇和以步骤(1)准备原料重量的10-20％称取石蜡混合作为介质，球料比10∶1，为避免粉末在球磨过程中被氧化，以氩气作为保护气体，球磨24-36h，经真空干燥、过筛；(3)成型：将步骤(2)得到的陶瓷粉末装入模具中，采用双向压机进行模压成型，两端加压，两次加压，第一次加压状态是以35-45℃/min的加热速率加热到850℃、并在20MPa下保持2-3小时，第二次加压状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾亚新，
申请(专利权)人：顾亚新，
类型：发明
国别省市：北京,11