一種新型碳化鈦金屬陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于碳化鈦金屬陶瓷及其制備技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種新型碳化鈦金屬陶瓷及其快速原位反應(yīng)燒結(jié)方法。所述新型碳化鈦金屬陶瓷的成分質(zhì)量百分比為：TiC 55–70%，F(xiàn)e 25–35%，Mo2C 0–15%，VC 0–5%。新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法包括準(zhǔn)備原料及稱量配料、球磨混合細(xì)化原料、快速制備金屬陶瓷等工藝步驟。本發(fā)明中碳化鈦粉體和粘結(jié)相鐵通過原位碳熱還原反應(yīng)直接生成，克服了常規(guī)粉末冶金法中粉體分別合成再燒結(jié)導(dǎo)致的粘結(jié)相鐵易氧化，以及在兩相界面易引入雜質(zhì)等缺陷。本發(fā)明具有工藝流程較短、升溫速率很快、燒結(jié)溫度較低、燒結(jié)時間很短、熱壓燒結(jié)、粉體生成與燒結(jié)一體化等諸多優(yōu)勢。
【專利說明】一種新型碳化鈦金屬陶瓷及其制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于碳化鈦金屬陶瓷及其制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，是一種新型鐵粘結(jié)碳化鈦金屬陶瓷及其快速原位反應(yīng)燒結(jié)方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]碳化鈦金屬陶瓷是以TiC為硬質(zhì)相，以N1、Co等為粘結(jié)相，以其他添加劑組成的金屬基復(fù)合材料，具有高熔點、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性好等系列優(yōu)點，因而是硬質(zhì)合金、耐磨部件、切削刀具、電極等的優(yōu)選材料。然而，Ni和Co為稀有戰(zhàn)略金屬，其市場價格比較昂貴。因而，選擇一種具有較佳粘結(jié)性能的廉價金屬替代Ni和Co是非常必要的。
[0005]Fe與N1、Co同屬元素周期表VID A組元素，具有相似特性，而且Fe資源豐富，價格便宜，因而是碳化鈦金屬陶瓷較理想的替代粘結(jié)相。但是，以TiC、Fe等為原料，通過傳統(tǒng)混料、球磨、制粒、成型、燒結(jié)的粉體冶金法制備TiC基金屬陶瓷不但工序長、能耗大、成本高，同時由于Fe易氧化導(dǎo)致金屬陶瓷成分難以控制，以及各組分界面污染而影響材料性能。因而，探索一條低成本、短流程制備高性能碳化鈦金屬陶瓷的新途徑就顯得非常重要。
[0006]天然鈦鐵礦采選出來的鈦精礦價格便宜，主要成分為Ti02、Fe2O3和FeO，以其為主要原料短流程原位制備高性能新型鐵粘結(jié)碳化鈦金屬陶瓷值得期待。近年來，鈦精礦原位碳熱還原制備鐵基復(fù)合粉體及塊材的研究逐漸增多，采用的方法主要有真空燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、微波燒結(jié)。在這些方法中，真空燒結(jié)反應(yīng)速度慢，粉體合成和塊材制備分開進行，工藝流程長，屬于傳統(tǒng)粉體冶金法。熱壓燒結(jié)加壓與燒結(jié)同步進行，流程較短，制備材料性能較好，但加熱方式?jīng)Q定了其反應(yīng)燒結(jié)時間較長。微波燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)時間短，但還是屬于無壓燒結(jié)，材料性能提尚受限。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足之處，提供一種不含Ni和Co粘結(jié)相的碳化鈦金屬陶瓷，以及提供一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種新型碳化鈦金屬陶瓷，其特征在于，材料的成分質(zhì)量百分比為:TiC 55 - 70%，F(xiàn)e25 - 35%，Mo2C O - 15%，VC O - 5%，材料中的TiC和Fe由鈦精礦原位碳熱還原反應(yīng)獲得，TiC不足時由T12碳熱還原反應(yīng)產(chǎn)物補充。
[0010]一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，工藝步驟如下:
(I)準(zhǔn)備原料及稱量配料
根據(jù)所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分確定原料質(zhì)量配比，將鈦精礦粉體、碳源粉體和添加劑粉體按照確定配比稱量配料；
(2)球磨混合細(xì)化原料
將上述配好原料和硬質(zhì)合金磨球放入球磨罐中，在高能球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨，直至獲得均勻混合的納米晶原料細(xì)粉；
(3)快速制備金屬陶瓷
將上述均勻混合原料細(xì)粉裝入石墨模具后，置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)加熱腔內(nèi)，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結(jié)，制得碳化鈦金屬陶瓷。
[0011]所述高能球磨的球料比為10:1 -30:1，球磨時間為10_40h。
[0012]所述放電等離子快速制備金屬陶瓷分兩步完成，第一步為原位碳熱還原，第二步為金屬陶瓷的燒結(jié)，工藝條件分別如下:
第一步:初始真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力1-5MPa，升溫速率200 - 300°C /min，反應(yīng)溫度1250 - 1400°C，保溫時間 10 - 20min ；
第二步:燒結(jié)真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力50 - 80MPa，升溫速率100 - 200°C /min，燒結(jié)溫度1400 - 1450°C，保溫時間 3 - 5min。
[0013]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點:
1.本發(fā)明不使用價格較昂貴的TiC陶瓷粉體為鈦源，不使用戰(zhàn)略金屬N1、Co作為粘結(jié)相，所用主要原料鈦精礦來源廣、價格低，并可同時提供部分鈦源和粘結(jié)相鐵兩種成分。
[0014]2.本發(fā)明中碳化鈦粉體和粘結(jié)相鐵通過原位碳熱還原反應(yīng)直接生成，克服了常規(guī)粉末冶金法中粉體分別合成再燒結(jié)導(dǎo)致的粘結(jié)相鐵易氧化，以及在兩相界面易引入雜質(zhì)等缺陷。
[0015]3.本發(fā)明克服了僅用鈦精礦為鈦源金屬陶瓷TiC成分單一的缺點，通過外加T12的碳熱還原可補充TiC，并添加Mo2C改善Fe與TiC之間的潤濕性，加入VC提高金屬陶瓷的力學(xué)性能。
[0016]4.本發(fā)明中原位碳熱還原和燒結(jié)在放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)上進行，具有工藝流程較短、升溫速率很快、燒結(jié)溫度較低、燒結(jié)時間很短、熱壓燒結(jié)、粉體生成與燒結(jié)一體化等諸多優(yōu)勢。
[0017]
【具體實施方式】
[0018]下面以FeT13質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于97%的鈦精礦為主要原料，結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0019]實施例1
一種新型TiC - 30Fe金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件:
(I)準(zhǔn)備原料及稱量配料
根據(jù)所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質(zhì)量配比為FeT13: T12: C= 1.7:1:1，將鈦精礦、T1jP碳黑按照該配比稱量配料。
[0020]( 2 )球磨混合細(xì)化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比15:1放入硬質(zhì)合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨25h，獲得均勻混合的納米晶原料細(xì)粉。
[0021](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細(xì)粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)加熱腔內(nèi)，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結(jié)，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力5MPa，升溫速率250°C /min，反應(yīng)溫度1350°C，保溫時間12min ;第二步:燒結(jié)真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力60MPa，升溫速率150°C /min，燒結(jié)溫度1420°C，保溫時間3min。
[0022]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 30Fe金屬陶瓷，其相對密度大于95%，宏觀硬度為88HRA，抗彎強度為1127MPa。
[0023]實施例2
一種新型TiC - 30Fe -1OMo2C金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件:
(I)準(zhǔn)備原料及稱量配料
根據(jù)所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質(zhì)量配比為FeT13: T12: C:Mo2C=8.1:3.7: 4.3:1，將鈦精礦、T12、碳黑和Mo2C按照該配比稱量配料。
[0024]( 2 )球磨混合細(xì)化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比15:1放入硬質(zhì)合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨25h，獲得均勻混合的納米晶原料細(xì)粉。
[0025](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細(xì)粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)加熱腔內(nèi)，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結(jié)，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力5MPa，升溫速率250°C /min，反應(yīng)溫度1350°C，保溫時間12min ;第二步:燒結(jié)真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力60MPa，升溫速率150°C /min，燒結(jié)溫度1420°C，保溫時間3min。
[0026]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 30Fe -1OMo2C金屬陶瓷，相對密度大于97%，宏觀硬度為90HRA，抗彎強度為1286MPa。
[0027]實施例3
一種新型TiC - 25Fe -1OMo2C金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件:
(I)準(zhǔn)備原料及稱量配料
根據(jù)所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質(zhì)量配比為FeT13: T12: C:Mo2C=6.8:5.1: 4.4:1，將鈦精礦、T12、碳黑和Mo2C按照該配比稱量配料。
[0028]( 2 )球磨混合細(xì)化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比25:1放入硬質(zhì)合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨20h，獲得均勻混合的納米晶原料細(xì)粉。
[0029](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細(xì)粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)加熱腔內(nèi)，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結(jié)，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力3MPa，升溫速率300°C /min，反應(yīng)溫度1300°C，保溫時間16min ;第二步:燒結(jié)真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力70MPa，升溫速率100°C /min，燒結(jié)溫度1410°C，保溫時間5min。
[0030]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 25Fe -1OMo2C金屬陶瓷，相對密度大于98%，宏觀硬度為91HRA，抗彎強度為1345MPa。
[0031]實施例4
一種新型TiC - 30Fe -1OMo2C - 5VC金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件: (I)準(zhǔn)備原料及稱量配料
根據(jù)所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質(zhì)量配比為FeT13: T12: C:Mo2C:VC=16.3: 6.1: 7.9:2:1，將鈦精礦、T12、碳黑、Mo2C^P VC按照該配比稱量配料。
[0032]( 2 )球磨混合細(xì)化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比15:1放入硬質(zhì)合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨25h，獲得均勻混合的納米晶原料細(xì)粉。
[0033](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細(xì)粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)加熱腔內(nèi)，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結(jié)，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力5MPa，升溫速率250°C /min，反應(yīng)溫度1350°C，保溫時間12min ;第二步:燒結(jié)真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力60MPa，升溫速率150°C /min，燒結(jié)溫度1420°C，保溫時間3min。
[0034]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 30Fe -1OMo2C - 5VC金屬陶瓷，相對密度大于99%，宏觀硬度為92HRA，抗彎強度為1482MPa。
[0035]實施例5
一種新型TiC - 25Fe -1OMo2C - 5VC金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件:
(I)準(zhǔn)備原料及稱量配料
根據(jù)所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質(zhì)量配比為FeT13: T12: C:Mo2C:VC=13.6: 8.9: 8.3:2: 1，將鈦精礦、T12、碳黑、Mo2C和VC按照該配比稱量配料。
[0036]( 2 )球磨混合細(xì)化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比25:1放入硬質(zhì)合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨20h，獲得均勻混合的納米晶原料細(xì)粉。
[0037](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細(xì)粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)加熱腔內(nèi)，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結(jié)，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力3MPa，升溫速率300°C /min，反應(yīng)溫度1300°C，保溫時間16min ;第二步:燒結(jié)真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力70MPa，升溫速率100°C /min，燒結(jié)溫度1410°C，保溫時間5min。
[0038]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 25Fe -1OMo2C - 5VC金屬陶瓷，相對密度大于99%，宏觀硬度為93HRA，抗彎強度為1525MPa。
【主權(quán)項】
1.一種新型碳化鈦金屬陶瓷，其特征在于，材料的成分質(zhì)量百分比為=TiC 55 - 70%，F(xiàn)e 25 - 35%，Mo2C O - 15%，VC O - 5%，材料中的TiC和Fe由鈦精礦原位碳熱還原反應(yīng)獲得，TiC不足時由T12碳熱還原反應(yīng)產(chǎn)物補充。2.一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，工藝步驟如下: (1)準(zhǔn)備原料及稱量配料 根據(jù)所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分確定原料質(zhì)量配比，將鈦精礦粉體、碳源粉體和添加劑粉體按照確定配比稱量配料； (2)球磨混合細(xì)化原料 將上述配好原料和硬質(zhì)合金磨球放入球磨罐中，在高能球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨，直至獲得均勻混合的納米晶原料細(xì)粉； (3)快速制備金屬陶瓷 將上述均勻混合原料細(xì)粉裝入石墨模具后，置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)加熱腔內(nèi)，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結(jié)，制得碳化鈦金屬陶瓷。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，所述高能球磨的球料比為10:1 - 30:1，球磨時間為10 -40ho4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，所述放電等離子快速制備金屬陶瓷分兩步完成，第一步為原位碳熱還原，第二步為金屬陶瓷的燒結(jié)，工藝條件分別如下: 第一步:初始真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力1-5MPa，升溫速率200 - 300°C /min，反應(yīng)溫度1250 - 1400°C，保溫時間 10 - 20min ； 第二步:燒結(jié)真空度〈IPa，系統(tǒng)壓力50 - 80MPa，升溫速率100 - 200°C /min，燒結(jié)溫度1400 - 1450°C，保溫時間 3 - 5min。
【文檔編號】C22C1/04GK105986139SQ201510094171
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年3月4日
【發(fā)明人】向道平, 王鈺午
【申請人】海南大學(xué)