一種TiN基金屬陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TiN基金屬陶瓷，它包括陶瓷相和金屬粘結(jié)相；所述陶瓷相成分為TiN、WC和TiC中的一種或多種，且至少含有TiN；所述金屬粘結(jié)相成分為316不銹鋼、316L不銹鋼、304不銹鋼、304L不銹鋼、Ni和Co中的至少一種；所述金屬陶瓷中各成分質(zhì)量百分比含量為：TiN 40～85％，WC 0～20％，TiC 0～25％，316不銹鋼0～30％，316L不銹鋼0～30％，304不銹鋼0～30％，304L不銹鋼0～30％，Ni 0～30％，Co 0～30％，其316不銹鋼、316L不銹鋼、304不銹鋼、304L不銹鋼、Ni和Co的質(zhì)量百分比不同時(shí)為0％。該金屬陶瓷在保持良好耐磨性的基礎(chǔ)上，具有較高的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，可廣泛應(yīng)用于軸承材料、切削刀具、模具材料等領(lǐng)域，還可作為代金裝飾材料，具有良好的仿金效果和裝飾價(jià)值。
【專利說明】
一種T i N基金屬陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷材料領(lǐng)域及其制備方法，尤其是TiN基金屬陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬陶瓷是一種由金屬或合金與一種或多種陶瓷相所組成的非均質(zhì)復(fù)合材料。其不但保持有陶瓷高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損、抗氧化和化學(xué)穩(wěn)定性等特性，又有金屬的高韌性、較高的導(dǎo)熱/導(dǎo)電性、在驟冷或驟熱條件下不易脆裂等特性，是一種十分重要的工具材料及結(jié)構(gòu)材料。金屬陶瓷用途極為廣泛，幾乎涉及到社會(huì)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代技術(shù)的每個(gè)領(lǐng)域，對(duì)工業(yè)化的進(jìn)展及生產(chǎn)率的提高起著十分重要的推動(dòng)作用，對(duì)金屬陶瓷的研究已成為材料研究領(lǐng)域中極受關(guān)注的一類研究課題。
[0003]氮化鈦是一種新型的多功能金屬陶瓷材料，它熔點(diǎn)高、硬度大、摩擦系數(shù)小、是熱和電的良導(dǎo)體并具有很好的抗氧化性、耐磨性、耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性。尤其引人注目的是其具有誘人的金黃色，可作為代金裝飾材料，具有很好的仿金效果和裝飾價(jià)值。然而，目前氮化鈦的相關(guān)研究及其應(yīng)用主要集中在TiN涂層材料上，對(duì)于全致密塊體氮化鈦基陶瓷產(chǎn)品的研發(fā)甚少。相比于氮化鈦涂層在使用過程中存在的壽命短、易剝落、制備成本高的缺點(diǎn)，全致密的塊體氮化鈦基金屬陶瓷具有很高的研究?jī)r(jià)值和非常廣闊應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種TiN基金屬陶瓷及其制備方法。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0006]所述TiN基金屬陶瓷包括陶瓷相和金屬粘結(jié)相;所述陶瓷相成分為TiN、WC和TiC中的一種或多種，且至少含有TiN;所述金屬粘結(jié)相成分為316不銹鋼、316L不銹鋼、304不銹鋼、304L不銹鋼、Ni和Co中的至少一種;所述金屬陶瓷中各成分質(zhì)量百分比含量為:TiN 40?85%，WC O?20%，TiC O?25%，316不銹鋼O?30%，316L不銹鋼O?30%，304不銹鋼O?30%，304L不銹鋼O?30%，Ni O?30%，Co O?30%，其316不銹鋼、316L不銹鋼、304不銹鋼、304L不銹鋼、Ni和Co的質(zhì)量百分比不同時(shí)為0%。
[0007]其中，所述組成陶瓷相的粉末的粒徑為0.5?ΙΟμπι，組成金屬粘結(jié)相的粉末的粒徑為450?550目，優(yōu)選為500目。
[0008]上述TiN基金屬陶瓷的制備方法包括如下步驟:
[0009](I)按上述質(zhì)量百分比含量將陶瓷相粉末和金屬粘結(jié)相粉末混合并添加成型劑同時(shí)進(jìn)行濕磨，濕磨時(shí)的球料比為4:1?10:1，濕磨時(shí)間為8?24h;
[0010](2)將濕磨后得到的混合料在真空干燥箱中進(jìn)行干燥，并在100?400MPa下冷壓成型；
[0011](3)將冷壓成型后的壓坯在管式爐中的氫氣氣氛下進(jìn)行脫脂，然后在真空氣壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，即得金屬陶瓷。
[0012]其中，步驟(I)中濕磨時(shí)的介質(zhì)為無水乙醇。
[0013]步驟(I)中所述的成型劑為石蠟，成型劑的添加量為陶瓷相粉末和金屬粘結(jié)相粉末混合物質(zhì)量的I %?3 %。
[0014]步驟(2)所述干燥的溫度為80?120°C，干燥時(shí)間為5?8h。
[0015]步驟(3)所述脫脂時(shí)的溫度為350?600°C，脫脂時(shí)間為5?8h。
[0016]步驟(3)所述燒結(jié)時(shí)的溫度為1400?1600°C，燒結(jié)時(shí)的壓力為2?20MPa。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:
[0018]本發(fā)明所述的的TiN基金屬陶瓷材料具有較高的硬度(HRA86?92)、良好的抗彎性能(ob = 900?2800MPa)和斷裂韌性(Κκ = 8?20MPa mV2)，同時(shí)擁有與金屬間極低的摩擦系數(shù)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，因此具有較好的耐磨性、紅硬性和較長(zhǎng)的使用壽命，在保持較高硬度、良好耐磨性的基礎(chǔ)上，較大幅度地提高其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性?？蓮V泛應(yīng)用于軸承材料、切削刀具、模具材料等領(lǐng)域。此外，本發(fā)明的金屬陶瓷具有良好的仿金效果和裝飾價(jià)值，可應(yīng)用于代金裝飾材料，擁有十分廣闊的市場(chǎng)前景。
【附圖說明】
[0019]圖1為該發(fā)明制備的TiN_316L金屬陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2為該發(fā)明制備的TiN-304金屬陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)圖；
[0021 ]圖3為該發(fā)明制備的TiN-WC-Ni金屬陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖4為該發(fā)明制備的TiN-WC-Co金屬陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖5為該發(fā)明制備的TiN-WC-TiC-Co金屬陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖6為該發(fā)明制備的TiN-WC-TiC-Co-Ni金屬陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例1
[0026]TiN_316L 金屬陶瓷。
[0027]所述金屬陶瓷的組分為85wt%TiN+15wt%316L。將符合上述質(zhì)量百分比的氮化鈦粉末和316L不銹鋼粉末混合，同時(shí)添加2%的成型劑石蠟，共同放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行混料研磨8h，其中以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球料比為6:1;然后將球磨后的混合料置于真空干燥箱中在80°C下干燥6h;再在200MPa下壓制成型。最后將成型壓坯經(jīng)500°C脫脂并在溫度為1450 0C、壓力為6MPa的真空氣壓燒結(jié)爐中燒結(jié)制備出成品。該金屬陶瓷硬度為87.2HRA，抗彎強(qiáng)度為1556MPa，斷裂韌性為10.6MPa ，同時(shí)具有亮麗的金屬光澤，具備良好的仿金效果和裝飾價(jià)值。
[0028]實(shí)施例2
[0029]TiN-304金屬陶瓷。
[0030]所述金屬陶瓷的組分為80wt%TiN+20wt%304。將符合上述質(zhì)量百分比的氮化鈦粉末和304不銹鋼粉末與含量為2%的成型劑石蠟一起放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行混料研磨12h，其中以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球料比為5:1;然后將球磨后的混合料置于真空干燥箱中在100°C下干燥6h;再在150MPa下壓制成型。最后將成型壓坯經(jīng)500°C脫脂并在溫度為1450°C、壓力為3MPa的真空氣壓燒結(jié)爐中燒結(jié)制備出成品。該金屬陶瓷硬度為88HRA，抗彎強(qiáng)度為1608MPa，斷裂韌性為9.9MPa mV2，同時(shí)具有亮麗的金屬光澤，具備良好的仿金效果和裝飾價(jià)值。
[0031]實(shí)施例3
[0032]TiN-WC-Ni 金屬陶瓷。
[0033]所述金屬陶瓷的組分為70wt%TiN+5wt%WC+25wt%Ni。將符合上述質(zhì)量百分比的氮化鈦粉、碳化鎢粉和Ni粉混合，并加入1.5%的成型劑石蠟，同時(shí)放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行混料研磨14h，其中以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球料比為8:1;然后將球磨后的混合料置于真空干燥箱中并在80°C下干燥7h;再在300MPa下壓制成型。最后將成型壓坯經(jīng)500°C脫脂并在溫度為1400°C、壓力為5MPa的真空氣壓燒結(jié)爐中燒結(jié)制備出成品。該金屬陶瓷硬度為
89.7HRA，抗彎強(qiáng)度為2050MPa，斷裂韌性為15.2MPa m1/2。
[0034]實(shí)施例4
[0035]TiN-WC-Co 金屬陶瓷。
[0036]所述金屬陶瓷的組分為80wt%TiN+5wt%WC+15wt%Ni。將符合上述質(zhì)量百分比的氮化鈦粉、碳化鎢粉和Ni粉混合，同時(shí)摻入1.5%的成型劑石蠟，共同放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行混料研磨14h，其中以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球料比為5:1;然后將球磨后的混合料置于真空干燥箱中并在90°C下干燥6h;再在400MPa下壓制成型。最后將成型壓坯經(jīng)500°C脫脂并在溫度為1400°C、壓力為2MPa的真空氣壓燒結(jié)爐中燒結(jié)制備出成品。該金屬陶瓷硬度為
90.8HRA，抗彎強(qiáng)度為2013MPa，斷裂韌性為13.2MPa m1/2。
[0037]實(shí)施例5
[0038]TiN-WC-TiC-Co 金屬陶瓷。
[0039]所述金屬陶瓷的組分為70wt%TiN+8wt%WC+2%TiCwt%+20wt%Co。將符合上述質(zhì)量百分比的氮化鈦粉、碳化鎢粉、碳化鈦粉和Co粉混合，并加入1.5%的成型劑石蠟，同時(shí)放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行混料研磨20h，其中以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球料比為5:1;然后將球磨后的混合料置于真空干燥箱中并在90°C下干燥6h;再在170MPa下壓制成型。最后將成型壓坯經(jīng)600°C脫脂并在溫度為1420°C、壓力為2MPa的真空氣壓燒結(jié)爐中燒結(jié)制備出成品。該金屬陶瓷硬度為91HRA，抗彎強(qiáng)度為2100MPa，斷裂韌性為18.6MPa m1/2。
[0040]實(shí)施例6
[0041 ] TiN-WC-TiC-N1-Co 金屬陶瓷。
[0042]所述金屬陶瓷的組分為 65wt%TiN+5wt%WC+5wt%TiC+15wt%Ni+10wt%Co。將符合上述質(zhì)量百分比的氮化鈦粉、碳化鎢粉、碳化鈦粉、Ni粉和Co粉混合，并加入3%的成型劑石蠟，共同置于行星球磨機(jī)中進(jìn)行混料研磨24h，其中以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球料比為4:1;然后將球磨后的混合料置于真空干燥箱中并在100°C下干燥5h;再在300MPa下壓制成型。最后將成型壓坯經(jīng)560°C脫脂并在溫度為1560°C、壓力為1MPa的真空氣壓燒結(jié)爐中燒結(jié)制備出成品。該金屬陶瓷硬度為90.7HRA，抗彎強(qiáng)度為2181MPa，斷裂韌性為18.8MPa m1/2。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種TiN基金屬陶瓷，其特征在于，所述金屬陶瓷包括陶瓷相和金屬粘結(jié)相;所述陶瓷相成分為TiN、WC和TiC中的一種或多種，且至少含有TiN;所述金屬粘結(jié)相成分為316不銹鋼、316L不銹鋼、304不銹鋼、304L不銹鋼、Ni和Co中的至少一種;所述金屬陶瓷中各成分質(zhì)量百分比含量為:TiN 40?85%，WC O?20%，TiC O?25%，316不銹鋼O?30%，316L不銹鋼O?30%，304不銹鋼O?30%，304L不銹鋼O?30%，Ni O?30%，Co O?30%，其316不銹鋼、316L不銹鋼、304不銹鋼、304L不銹鋼、Ni和Co的質(zhì)量百分比不同時(shí)為0%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiN基金屬陶瓷，其特征在于，所述組成陶瓷相的粉末的粒徑為0.5?ΙΟμπι，組成金屬粘結(jié)相的粉末的粒徑為450?550目。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiN基金屬陶瓷，其特征在于，所述組成金屬粘結(jié)相的粉末的粒徑為500目。4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述TiN基金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)按權(quán)利要求1所述的質(zhì)量百分比含量將陶瓷相粉末和金屬粘結(jié)相粉末混合并添加成型劑同時(shí)進(jìn)行濕磨，濕磨時(shí)的球料比為4:1?10:1，濕磨時(shí)間為8?24h; (2)將濕磨后得到的混合料在真空干燥箱中進(jìn)行干燥，并在100?400MPa下冷壓成型； (3)將冷壓成型后的壓坯在管式爐中的氫氣氣氛下進(jìn)行脫脂，然后在真空氣壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，即得金屬陶瓷。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(I)中濕磨時(shí)的介質(zhì)為無水乙醇。6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(I)中所述的成型劑為石蠟，成型劑的添加量為陶瓷相粉末和金屬粘結(jié)相粉末混合物質(zhì)量的I %?3%。7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述干燥的溫度為80?120°C，干燥時(shí)間為5?8h。8.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述脫脂時(shí)的溫度為350?600°C，脫脂時(shí)間為5?8h。9.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述燒結(jié)時(shí)的溫度為1400?1600V，燒結(jié)時(shí)的壓力為2?20MPa。
【文檔編號(hào)】C22C29/16GK106086577SQ201610683602
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月17日 公開號(hào)201610683602.0, CN 106086577 A, CN 106086577A, CN 201610683602, CN-A-106086577, CN106086577 A, CN106086577A, CN201610683602, CN201610683602.0
【發(fā)明人】甘雪萍, 曾文淼, 李志友, 周科朝
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)