一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷及其制备方法，涉及金属陶瓷材料技术领域，能够明显提高金属陶瓷的强韧性和抗热疲劳能力，改善其高温综合性能，延长使用寿命；该方法步骤包括S1、制备Ti(C，N)和(W，Co)C超微固溶体粉体；S2、用机械合金化法制备Ni‑Mo高畸变量固溶体粉体；Mo微粉为氮气分子活化相Mo；S3、将三种粉体和石墨粉混合得到混合粉体，湿磨制成混合料浆；S4、干燥、分筛加入聚乙烯醇，制成混匀料；S5、模压成形；S6、真空脱脂和预烧结；S7、真空活化烧结；S8、在金属陶瓷基体表面制备梯度热应力缓释层。本发明专利技术提供的技术方案适用于金属陶瓷制备的过程中。

A kind of cermet with strong toughness and thermal fatigue resistance and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及金属陶瓷材料
，尤其涉及一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷及其制备方法。
技术介绍
Ti(C，N)金属陶瓷是为高温环境下金属材料加工而开发的新型工模具材料。用粉末冶金方法制成的金属基多相复合材料的Ti(C，N)金属陶瓷，兼具金属与陶瓷材料的性能优点，它具有高硬度、高耐磨性、高红硬性、优良的抗高温蠕变性及化学稳定性，且与金属间的摩擦系数极低，适于在高温高压高摩擦工况环境服役，服役环境温度可达1000℃以上，相较于传统工模具钢具有明显优势(传统工模具钢的安全服役温度一般低于700℃，其高温性能难以满足800℃以上工况环境的生产需要)。而Ti(C，N)金属陶瓷则是针对800℃以上金属热加工成型的新型热作工模具材料。目前已制备出的细晶Ti(C，N)基金属陶瓷材料，其硬度达到了HV1400～1800MPa、断裂韧性达到了10MPa·m1/2、弹性模量为450GPa、起始氧化温度为1373～1473K，高温综合性能大为改善。但是，就其本身的性质而言，它仍属于脆性材料。服役时，沿相界面脱开或断裂是其主要失效形式。由于韧性低、抗热疲劳能力不足，在高温环境服役时导致强度、韧性快速衰减，在热应力和机械应力的双重作用下，引发早期脆性失效。所以，对于Ti(C，N)基金属陶瓷，如何在保持红硬性和抗蠕变性的同时，提高其强韧性和抗热疲劳能力，是提高其高温综合性能，延长使用寿命的关键。为了提高Ti(C，N)金属陶瓷韧性和抗热疲劳能力，当前的研究方法多集中在用物理法或化学法在金属陶瓷表面制备硬质或超硬质薄膜，所制薄膜对金属陶瓷基体可起到防护作用，但对于提高金属陶瓷韧性和抗热疲劳能力的效果不明显。这两类研究主要不足为：①用物理气相沉积法，在Ti(C，N)金属陶瓷表面制备硬质或超硬质薄膜，由于所制备的薄膜与基体存在明显的相界面并且结合强度不足，没有从根本上解决热应力产生的应力集中问题，因此，对于提高金属陶瓷韧性和抗热疲劳能力的作用不大；②用化学气相沉积法，低压条件下在金属陶瓷表面制备梯度硬质薄膜，但因压力低(1个大气压以下)、扩散动力不足，制备工序时间过长(48h以上)，并且制备的薄膜厚度过薄(小于2μm)，这种薄膜对热应力产生的应力集中缓解有限，实际应用价值较低。因此，有必要研究一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷及其制备方法，能够明显提高金属陶瓷的强韧性和抗热疲劳能力，改善其高温综合性能，延长使用寿命。一方面，本专利技术提供一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤包括：S1、制备Ti(C，N)超微固溶体粉体；S2、制备(W，Co)C超微固溶体粉体；S3、用机械合金化法将Ni微粉和Mo微粉混合制成Ni-Mo高畸变量固溶体粉体；其中，Mo微粉为氮气分子活化相Mo；S4、将S1～S3中所制的固溶体粉体混合得到第一混合粉体，第一混合粉体再与石墨粉混合得到第二混合粉体，对第二混合粉体进行湿磨，制成混合料浆；S5、对混合料浆进行干燥、分筛，再加入聚乙烯醇搅拌混匀，制成混匀料；S6、将混匀料模压成形，制成预烧结坯料；S7、对预烧结坯料进行真空脱脂和预烧结，得到预烧结体；S8、对预烧结体进行真空活化烧结，得到细晶金属陶瓷烧结体；S9、以细晶金属陶瓷烧结体为基体，利用高温高压下Mo对氮气分子的活化效应，分解氮气，在细晶金属陶瓷烧结体表面制备梯度热应力缓释层；S1～S3的顺序不固定。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1具体为采用高能球磨法将TiC超微粉和TiN超微粉混合制成包含纳米粉的Ti(C，N)超微固溶体粉体；TiC超微粉和TiN超微粉的质量比为2∶1～4∶1。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2具体为用高能球磨法将WC超微粉与Co微粉混合制成(W，Co)C超微固溶体粉体；WC超微粉与Co微粉的质量比为：5∶1～12∶1；所述S3中Ni微粉和Mo微粉的质量比为：3∶1～6∶1。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中对第二混合粉体进行湿磨的具体过程为：将第二混合粉体和硬质合金磨球放入球磨罐，边搅拌边加入无水乙醇，直到无水乙醇淹没过第二混合粉体3～5cm，然后进行球磨；球磨时间为12～48h，转速为230～300rpm；加入的硬质合金磨球与第二混合粉体的质量为8∶1。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S5中聚乙烯醇的加入量为：聚乙烯醇质量为混匀料质量的3～5％。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S7的具体过程为：将预烧结坯料置于温度为400～650℃、真空度为3～6Pa的条件下，保持4～8h，继而升温至800～1000℃、真空度为1～3Pa，保持1～2h；所述S8的真空活化烧结保持真空度不低于1.0×10-1Pa，烧结温度1400～1450℃，温度峰值保温时间60～120min。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S9的具体过程为：将细晶金属陶瓷烧结体置于热等静压炉内，以氮气为应力介质，保持氮气压力60～110MPa，活化渗氮温度为800～1200℃，保温时间4～16h，在细晶金属陶瓷烧结体表面制备出梯度热应力缓释层。另一方面，本专利技术提供一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷，其特征在于，所述金属陶瓷采用如权利要求1-7任一所述的制备方法制备；所述金属陶瓷包括细晶金属陶瓷基体和位于所述细晶金属陶瓷基体表面的梯度热应力缓释层；所述细晶金属陶瓷基体的硬度为88～91HRA、断裂韧性不小于12.3MPa·m1/2；所述梯度热应力缓释层为厚度大于6μm的纯物相TiN硬质薄膜，所述梯度热应力缓释层的外表面硬度为92～95HRA。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述细晶金属陶瓷基体具有“芯-壳”结构，由黑色芯相、灰色环形相和白色粘接相构成。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述金属陶瓷各成分的质量百分比为：TiN10～11％、TiC23～38％、WC10～12％、Ni32～38％、Mo6～14％、Co1～2％、石墨粉1～2％。与现有技术相比，本专利技术可以获得包括以下技术效果：本专利技术通过改进细晶Ti(C，N)金属陶瓷的制备工艺，提高其相界面强度，改善其强韧性；本专利技术以制备的细晶Ti(C，N)金属陶瓷为基体，在其表面制备梯度热应力缓释层，提高金属陶瓷的抗热疲劳能力，从而改善其高温综合性能，延长使用寿命。当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，先制备细晶金属陶瓷基体，再在细晶金属陶瓷基体的表面制备梯度热应力缓释层；/n制备细晶金属陶瓷基体时将氮气分子活化相Mo预置于烧结粘结相Ni中，再利用高温高压下Mo对氮气分子的活化效应，分解氮气，在细晶金属陶瓷基体表面制备梯度热应力缓释层。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，先制备细晶金属陶瓷基体，再在细晶金属陶瓷基体的表面制备梯度热应力缓释层；
制备细晶金属陶瓷基体时将氮气分子活化相Mo预置于烧结粘结相Ni中，再利用高温高压下Mo对氮气分子的活化效应，分解氮气，在细晶金属陶瓷基体表面制备梯度热应力缓释层。


2.根据权利要求1所述的具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤包括：
S1、制备Ti(C，N)超微固溶体粉体和(W，Co)C超微固溶体粉体；
S2、用机械合金化法将Ni微粉和Mo微粉混合制成Ni-Mo高畸变量固溶体粉体；其中，Mo微粉为氮气分子活化相Mo；
S4、将S1～S3中所制的固溶体粉体混合得到第一混合粉体，第一混合粉体再与石墨粉混合得到第二混合粉体，对第二混合粉体进行湿磨，制成混合料浆；
S5、对混合料浆进行干燥、分筛，再加入聚乙烯醇搅拌混匀，制成混匀料；
S6、将混匀料模压成形，制成预烧结坯料；
S7、对预烧结坯料进行真空脱脂和预烧结，得到预烧结体；
S8、对预烧结体进行真空活化烧结，得到细晶金属陶瓷基体；
S9、对细晶金属陶瓷基体进行气氛热等静压表面活化渗氮处理，在细晶金属陶瓷基体表面制备梯度热应力缓释层；
S1～S3的顺序不固定。


3.根据权利要求1所述的具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述S1具体为采用高能球磨法将TiC超微粉和TiN超微粉混合制成包含纳米粉的Ti(C，N)超微固溶体粉体；TiC超微粉和TiN超微粉的质量比为2∶1～4∶1；
所述S2具体为用高能球磨法将WC超微粉与Co微粉混合制成(W，Co)C超微固溶体粉体；WC超微粉与Co微粉的质量比为：5∶1～12∶1；
所述S3中Ni微粉和Mo微粉的质量比为：3∶1～6∶1。


4.根据权利要求1所述的具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述S4中对第二混合粉体进行湿磨的具体过程为：将第二混合粉体和硬质合金磨球放入球磨罐，边搅拌边加入无水乙醇，直到无水乙醇淹没过第二混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪涛，王家瑞，李宏，熊惟皓，
申请(专利权)人：北京科技大学天津学院，
类型：发明
国别省市：天津;12