專利名稱：一種金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬陶瓷復(fù)合材料，特別涉及一種高硬度、高耐磨性的金屬陶瓷復(fù)合 材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
金屬陶瓷復(fù)合材料根據(jù)陶瓷相的不同而分類。分為氧化物_金屬?gòu)?fù)合材料，碳化 物_金屬?gòu)?fù)合材料，氮化物_金屬?gòu)?fù)合材料，硼化物_金屬?gòu)?fù)合材料，碳化硼_金屬?gòu)?fù)合材 料和硅化物-金屬?gòu)?fù)合材料。其品種多樣，結(jié)構(gòu)各異，均以其不同的強(qiáng)度、硬度、耐磨及抗氧 化性能，在電子器件、冶金、化工、航空航天等方面有著廣泛的應(yīng)用。Ti (C，NVAl2O3金屬陶瓷不但具有較高的硬度、耐磨性、紅 硬性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定 性、與金屬間極低的摩擦系數(shù)，而且還有一定的韌性和強(qiáng)度。與通常的硬質(zhì)合金相比，它在 以下幾個(gè)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)有較高的切削速度；被加工工件有較好的表面性能；耐磨性 能更高。但目前商業(yè)化生產(chǎn)此類材料的原料之一 Ti (C，N)粉非常昂貴(70萬(wàn)元/噸)，阻 礙其廣泛應(yīng)用。而鈦鐵礦資源儲(chǔ)量大，分布廣，幾乎遍及全世界。據(jù)美國(guó)礦產(chǎn)局1995年的《礦產(chǎn)品 概要》統(tǒng)計(jì)資料，世界現(xiàn)已探明的鈦鐵礦資源儲(chǔ)量為207億噸，主要分布于加拿大，挪威，南 非，澳大利亞，美國(guó)，印度，原蘇聯(lián)，斯里蘭卡，巴西，芬蘭等國(guó)，其中，南非的儲(chǔ)量最大，占世 界總儲(chǔ)量的23. 4%。我國(guó)的鈦鐵礦資源十分豐富，遍布20個(gè)省區(qū)，既有巖礦，也有砂礦，其 中，巖礦占大部分。我國(guó)鈦鐵礦的總儲(chǔ)量約為3000萬(wàn)噸，目前，我國(guó)鈦鐵礦的總產(chǎn)能為30萬(wàn) 噸/年，按此計(jì)算，鈦鐵礦還可開(kāi)采100年。目前，鈦鐵礦的主要利用途徑有以下幾個(gè)方面 (1)將鈦鐵精礦用電爐熔煉法生產(chǎn)酸溶性高鈦渣，然后用于硫酸法鈦白生產(chǎn)；(2)鈦鐵精礦 經(jīng)過(guò)富集處理加工成高鈦渣(Ti0290%以上)或人造金紅石(Ti0296%以上)之后，采用沸 騰氯化或熔鹽氯化法制取TiCl4 ； (3)用于海綿鈦的生產(chǎn)。上述鈦鐵礦的綜合利用方法存在 要么能耗過(guò)高，要么鐵的綜合利用程度低，要么廢酸母液難處理等問(wèn)題，影響了鈦鐵礦利用 的效率和鈦鐵礦的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。為此，發(fā)展新的鈦鐵礦的利用途徑是刻不容緩和很有必要 的事情。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種成本低、應(yīng)用范圍廣；并且提高鈦鐵礦利用效率 的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種適于工業(yè)應(yīng)用的工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、易于操作，適合各 種形狀復(fù)雜制品生產(chǎn)的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于，以Al2O3 陶瓷為基體，Ti(C，N)陶瓷硬質(zhì)顆粒和Fe金屬作為彌散相的金屬陶瓷復(fù)合材料；其中，材料 主體成分質(zhì)量百分比含量為=Al2O3 50 70% ;Ti(C，N) 20 30%;Fe 5 20% ； 不可避免的Mn、Si、Ca等雜質(zhì)余量。
進(jìn)一步，其主體原料為鈦鐵礦粉末、鋁粉和石墨粉，并配比滿足下式FeTi03+xAl+ (4_3x/2) C+yFe+ (x/2) N2 — Ti (C, N) + (x/2) A1203+ (y+1) Fe+CO,其中， (0 < x < 2. 7,0 ^ y ^ 2)；本發(fā)明所述氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟第一步，將原料鈦鐵礦粉末、鋁粉和石墨粉與球磨介質(zhì)、表面活性劑(粘結(jié)劑)混 合球磨均勻、干燥；第二步，將第一步處理后的混合粉末加入熱壓爐中，在氮?dú)鈿夥障赂鶕?jù)模具形狀 熱壓成形。所述球磨的主要參數(shù)為球料比24 1 12 1 ；球磨時(shí)間4 10h ；轉(zhuǎn)速300 500r/min ；熱壓工藝參數(shù)燒結(jié)溫度1200 1500°C ；燒結(jié)時(shí)間15min 2h ；壓力10 50MPao相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.主要原料采用我國(guó)富有資源且成本低廉，能充分有效利用資源的主體成分，且 為我國(guó)富有資源充分有效利用開(kāi)辟了新途徑。2.原位合成，界面結(jié)合強(qiáng)度高，性能優(yōu)良。本發(fā)明的復(fù)合材料相比同類金屬陶瓷復(fù) 合材料具有相當(dāng)?shù)牧己玫木C合力學(xué)性能和優(yōu)良的耐磨損、耐腐蝕、抗氧化及抗熱震等性能。 本發(fā)明的金屬陶瓷復(fù)合材料維氏硬度值達(dá)17 19GPa，抗彎強(qiáng)度達(dá)320 370MPa。3.工藝簡(jiǎn)單。本發(fā)明利用傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)工藝，選擇我國(guó)儲(chǔ)量豐富的攀枝花鈦鐵 礦(FeTi03)作為原料，添加鋁粉和石墨粉，球磨混料后熱壓燒結(jié)即可直接制備出性能優(yōu)良 的Al203/Ti (C，N) /Fe金屬陶瓷復(fù)合材料。所用制備方法的設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，工藝過(guò)程 簡(jiǎn)單，易于操作。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1金屬陶瓷復(fù)合材料的典型金像顯微組織照片；圖2是本發(fā)明的金屬陶瓷復(fù)合材料的典型掃描背散射電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1 一種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備工藝，其具體步驟如下(1)在電子天平上按FeTi03+2Al+C+0Fe的摩爾比例稱取鈦鐵礦粉49. 91克、鋁粉 17. 72克、石墨3. 94克。(2)將混合粉倒入球磨罐中，球料比12 1，球磨4小時(shí)；然后，將球磨后的粉料放 入干燥器干燥。(3)把混合料裝入熱壓石墨模具，放入熱壓爐，抽真空后通氮?dú)獗Ｗo(hù)。(4)在升溫的過(guò)程中先預(yù)壓粉料一次，然后等到達(dá)1400°C時(shí)加壓21Mpa。(5)在1400°C加壓21MPa下保溫30min，最后冷卻得到金屬陶瓷復(fù)合材料A。(6)得到的復(fù)合材料A的力學(xué)性能如表1所示，化學(xué)成分分析如表2所示，其金屬陶瓷復(fù)合材料的典型金像顯微組織結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。實(shí)施例2一種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，利用球磨技術(shù)和熱壓技術(shù)制備，其步驟如 下(1)原材料為鈦鐵礦粉，鋁粉，石墨和鐵粉。在電子天平上按FeTi03+2Al+C+lFe的 摩爾比例稱取鈦鐵礦粉39. 71克、鋁粉14. 11克、石墨3. 13克、鐵粉14. 63克。(2)將混合粉倒入球磨罐中，球料比12 1，球磨4小時(shí)，然后將球磨后的粉料放 入干燥器干燥。(3)把混合料裝入熱壓石墨模具，放入熱壓爐，抽真空后通氮?dú)獗Ｗo(hù)；(4)在升溫的過(guò)程中先預(yù)壓粉料一次，然后等到達(dá)1200°C時(shí)加壓21MPa ；(5)在1200°C加壓21MPa下保溫30min，最后冷卻得到金屬陶瓷復(fù)合材料B。(6)得到的復(fù)合材料B的力學(xué)性能如表1所示，化學(xué)成分分析如表2所示。表1金屬陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能(維氏硬度值Hv20，抗彎強(qiáng)度σav，斷裂韌性Kic) 表2金屬陶瓷復(fù)合材料的成分 本發(fā)明的金屬陶瓷復(fù)合材料，屬于Ti (C、N)是TiC和TiN形成的一種連續(xù)固溶體 Ti (Ch，Nx)。Ti (Ch，Nx)的性能隨X的改變而有所變化。TiC硬度較高，而TiN韌性較好， 一般來(lái)說(shuō)，隨χ值的增大材料的硬度降低，韌性提高。Ti(C，N)金屬陶瓷不但具有較高的硬 度、耐磨性、紅硬性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、與金屬間極低的摩擦系數(shù)，而且還有一定的韌性和 強(qiáng)度。與通常的硬質(zhì)合金相比，它在以下幾個(gè)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)有較高的切削速度；被加 工工件有較好的表面性能；耐磨性能更高。Ti (C，N)金屬陶瓷具有良好的使用性能，與WC 基硬質(zhì)合金相比，加工中顯示出較高的紅硬性、相近的強(qiáng)度、較低的腐蝕性、導(dǎo)熱性和摩擦 系數(shù)，具有較高的壽命或在壽命相同的情況下可采用較高的切削速度，被加工件有較好的 表面光潔度。因此，Ti (C，N)金屬陶瓷在許多加工場(chǎng)合下可成功地取代WC基硬質(zhì)合金，填 補(bǔ)了 WC基硬質(zhì)Ti (C，N)合金和陶瓷之間的空白。碳氮化鈦是一種性能優(yōu)良，用途廣泛的非氧化物陶瓷材料，兼具TiC和TiN的優(yōu) 點(diǎn)，具有高熔點(diǎn)，高硬度，耐磨，耐氧化，耐腐蝕等特性，并具有良好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，在機(jī)械，化工，汽車制造和航空航天等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
本發(fā)明結(jié)合我國(guó)資源特點(diǎn)，選擇我國(guó)儲(chǔ)量豐富，包含有Fe和Ti兩種主體元素的攀 枝花產(chǎn)鈦鐵礦(FeTi03)作為原料( 1000元/噸)，通過(guò)熱壓工藝制備一種新型的A1203/ Ti (C，N)/Fe金屬陶瓷。該復(fù)合材料由于原料成本低廉，充分利用了鈦鐵礦中兩種主體元素 ， 且工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良具有重大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。因此，本發(fā)明對(duì)于推動(dòng) 我國(guó)鈦鐵礦資源的有效利用，加速我國(guó)金屬陶瓷和金屬基復(fù)合材料的發(fā)展具有非常重要的
眉、ο
權(quán)利要求
一種氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于Al2O3陶瓷為基體，Ti(C，N)陶瓷硬質(zhì)顆粒和Fe金屬作為彌散相的金屬陶瓷復(fù)合材料；材料主體成分質(zhì)量百分比含量為Al2O3∶50～70％；Ti(C，N)∶20～30％；Fe∶5～20％；其余為不可避免的Mn、Si、Ca等雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于，其主體原料為鈦鐵礦 粉末、鋁粉和石墨粉，并配比滿足下式FeTi03+xAl+ (4_3x/2) C+yFe+ (x/2) N2 — Ti (C, N) + (χ/2) Al2O3+ (y+1) Fe+C0，其中，(0 < χ < 2· 7，0 < y 。
3.如權(quán)利要求1所述氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 第一步，將原料鈦鐵礦粉末、鋁粉、石墨粉與球磨介質(zhì)混合球磨均勻，干燥；第二步，將第一步處理后的混合粉末加入熱壓爐中，在氮?dú)鈿夥障赂鶕?jù)模具形狀熱壓 成形。
4.如權(quán)利要求3所述氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述球磨的主 要參數(shù)為球料比24 1 12 1 ；球磨時(shí)間4 IOh ；轉(zhuǎn)速300 500r/min ；熱壓工藝參數(shù)燒結(jié)溫度1200 1500°C ；燒結(jié)時(shí)間15min 2h ；壓力10 50MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。它是以Al2O3陶瓷為基體，Ti(C，N)陶瓷硬質(zhì)顆粒和Fe金屬作為彌散相的金屬陶瓷復(fù)合材料。材料主體成分質(zhì)量百分比含量為Al2O3∶50～70％；Ti(C，N)∶20～30％；Fe∶5～20％；其余為不可避免的Mn、Si和Ca等雜質(zhì)。選擇我國(guó)儲(chǔ)量豐富的攀枝花鈦鐵礦(FeTiO3)作為原料，在碳熱、鋁熱還原的基礎(chǔ)上采用熱壓燒結(jié)工藝直接制備低成本Al2O3/Ti(C，N)/Fe金屬陶瓷復(fù)合材料。本發(fā)明的復(fù)合材料相比同類金屬陶瓷復(fù)合材料具有相當(dāng)?shù)牧己玫木C合力學(xué)性能和優(yōu)良的耐磨損、耐腐蝕、抗氧化及抗熱震等性能，制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，且為我國(guó)富有資源充分有效利用開(kāi)辟了新途徑。
文檔編號(hào)C22C1/05GK101871070SQ20101019235
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者劉傳璞, 劉勝明, 湯愛(ài)濤, 潘復(fù)生, 王健 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)