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，具有較高的抗彎強度和斷裂韌性，可廣泛應用于軸承材料、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)復合材料。其不但保持有陶瓷高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損、抗氧化和化學穩(wěn)定性等特性，又有金屬的高韌性、較高的導熱/導電性、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，幾乎涉及到社會經(jīng)濟和現(xiàn)代技術(shù)的每個領(lǐng)域，對工業(yè)化的進展及生產(chǎn)率的提高起著十分重要的推動作用，對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，它熔點高、硬度大、摩擦系數(shù)小、是熱和電的良導體并具有很好的抗氧化性、耐磨性、耐腐蝕性和化學穩(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值。然而，目前氮化鈦的相關(guān)研究及其應用主要集中在TiN涂層材料上，對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，全致密的塊體氮化鈦基金屬陶瓷具有很高的研究價值和非常廣闊應用前景。

【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進行濕磨，濕磨時的球料比為4:1?10:1，濕磨時間為8?24h;
[0010](2)將濕磨后得到的混合料在真空干燥箱中進行干燥，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行脫脂，然后在真空氣壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，即得金屬陶瓷。
[0012]其中，步驟(I)中濕磨時的介質(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，干燥時間為5?8h。
[0015]步驟(3)所述脫脂時的溫度為350?600°C，脫脂時間為5?8h。
[0016]步驟(3)所述燒結(jié)時的溫度為1400?1600°C，燒結(jié)時的壓力為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)，同時擁有與金屬間極低的摩擦系數(shù)，優(yōu)良的化學穩(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度和斷裂韌性?？蓮V泛應用于軸承材料、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值，可應用于代金裝飾材料，擁有十分廣闊的市場前景。
【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。
【具體實施方式】
[0025]實施例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，同時添加2%的成型劑石蠟，共同放入行星球磨機中進行混料研磨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，抗彎強度為1556MPa，斷裂韌性為10.6MPa ，同時具有亮麗的金屬光澤，具備良好的仿金效果和裝飾價值。
[0028]實施例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中進行混料研磨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，抗彎強度為1608MPa，斷裂韌性為9.9MPa mV2，同時具有亮麗的金屬光澤，具備良好的仿金效果和裝飾價值。
[0031]實施例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，同時放入行星球磨機中進行混料研磨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，抗彎強度為2050MPa，斷裂韌性為15.2MPa m1/2。
[0034]實施例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，同時摻入1.5%的成型劑石蠟，共同放入行星球磨機中進行混料研磨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，抗彎強度為2013MPa，斷裂韌性為13.2MPa m1/2。
[0037]實施例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，同時放入行星球磨機中進行混料研磨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，抗彎強度為2100MPa，斷裂韌性為18.6MPa m1/2。
[0040]實施例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中進行混料研磨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，抗彎強度為2181MPa，斷裂韌性為18.8MPa m1/2。
【主權(quán)項】
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進行濕磨，濕磨時的球料比為4:1?10:1，濕磨時間為8?24h; (2)將濕磨后得到的混合料在真空干燥箱中進行干燥，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行脫脂，然后在真空氣壓燒結(jié)爐中進行燒結(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)所述脫脂時的溫度為350?600°C，脫脂時間為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)時的溫度為1400?1600V，燒結(jié)時的壓力為2?20MPa。
【文檔編號】C22C29/16GK106086577SQ201610683602
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月17日 公開號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
【申請人】中南大學