专利名称：一种金属陶瓷表面耐磨材料的制备方法
技术领域：
本发明为一种表面耐磨材料的制备方法，特别涉及表面为金属陶瓷耐磨层，内部 为钢的表面耐磨材料，属于复合材料领域。
背景技术：
在现代工业生产中，许多领域中的机械零部件长期在高温、高压、高速度、高载荷、高磨损的恶劣条件下工作，极易发生失效。一方面，工件会因为表面受到大的磨损而导致报 废；另一方面，由于工件材料的强度和韧性不足而导致断裂。因此，工业上对材料的综合性 能要求不断提高，单一的材料很难满足要求。利用表面复合材料的思想，在钢基体表面生成 一层金属陶瓷层，既保持了钢作为金属材料的优异的强韧性，又利用了金属陶瓷材料的高 硬度和耐磨性，实现硬度耐磨性与强度与韧性有机结合。而且，金属陶瓷表面复合材料在满 足了恶劣条件下对材料综合性能要求的同时也具有巨大的成本优势。目前有多个专利公开了制备金属陶瓷表面耐磨材料的方法。如专利97123407. 8， 采用高温气压自蔓延反应方法在普通碳素结构钢表面制备了 M3Al-Cr7C3复合材料涂层， 该制备方法所制备的涂层纯度高，微观组织致密良好，涂层与底材为牢固的冶金结合，涂层 具有良好的室温抗磨性能及较高的硬度，其耐磨性是轴承钢的4 7倍。专利98805547. 3 通过激光喷涂使待涂的烧结件表面在激光作用下熔化，被融合的待喷涂烧结件表面可达10 微米到1毫米厚，这就可以使其表面的微孔(烧结件的典型特征)闭合，从而增强它的抗冲 击性。上述两发明的高温自蔓延法和激光喷涂的方法都存在对设备要求高的缺点。专利93111991. X用普通铸造方法使金属基体表面与陶瓷复合，其生产工艺为将 陶瓷材料粉碎成粒度，按比例、组分、依顺序加料混合，预热砂型，将混合料浆喷刷到砂型表 面发泡，合箱静置，将金属基体熔化浇铸成型。该发明简化了生产工艺过程，能一次成型得 到最终产品，能提高金属表面的耐磨、耐热等性能，且节约材料。由于采用喷刷的方法，获得 的表面耐磨层厚度有限且不易控制，而且表面金属陶瓷层与基体的结合强度受到影响。专利99114851. 7提供的制备铁基表面复合材料的铸造烧结法，是将陶瓷粉或/和 可生成碳化物陶瓷的组分与易熔合金粉混勻，制成压坯并固定于铸型表面，利用铸造浇注 的高温钢水或铁水的热量，直接将压坯烧结在铸件母体上。该法中制备的压坯通常含有粘 结剂，在采用钢水或者铁水浇注时容易产生气体。
发明内容
本发明针对目前报道的制备金属陶瓷表面耐磨材料方法存在的诸多不足之处，发 明了一种新的方法。先将金属陶瓷混合粉末压制成带圆柱孔的生坯，然后将圆柱形的钢质 芯棒放入金属陶瓷生坯的内孔中，控制钢芯棒的直径以获得最佳的间隙，并一起放入真空 炉中进行真空烧结处理；金属陶瓷生坯与钢芯棒进行真空烧结处理后，金属陶瓷生坯发生 尺寸收缩，其心部圆柱孔径将略小于钢芯棒直径，因此在金属陶瓷生坯致密化的同时，也实 现了与钢芯棒的紧密机械连接。同时，烧结过程中金属陶瓷与钢芯棒接触的边界部分发生相互扩散，保证了表面金属陶瓷层与心部钢材的冶金结合，本发明的示意图见附图1。本发明的金属陶瓷表面耐磨材料的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤(1)将原料粉末配制成金属陶瓷混合粉末，其重量百分比为=Mo2C :0 15%，WC O 15%，Ni 0 20%，Co 0 20%，TiCa7Na3为余量；金属陶瓷混合粉末经过球磨、过 滤、干燥后压制成带圆柱孔的生坯；(2)将圆柱形钢芯棒放置在金属陶瓷生坯内孔中，钢芯棒各组成成分重量百分比 为C 0. 03 1. 0%，W :0 20%，V :0 5%，Cr :0 5%，Fe为余量；钢质芯棒直径的确 定方法为钢质芯棒直径=扩散层厚度+金属陶瓷生坯孔径/收缩系数，其中扩散层厚度为 0. 05mm 2mm，收缩系数为1. 2 1. 8 ；(3)圆柱形钢芯棒与金属陶瓷生坯一起放入真空炉中，先脱除成型剂，然后经过烧 结制备成金属陶瓷表面耐磨材料，烧结温度为1350 1450°C，保温时间为1 3h，真空度 为1 5Pa。本发明的金属陶瓷表面耐磨材料的制备方法，其进一步的特征在于(1)配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中，Mo2C的粒度为1. 0 2. 0 μ m，WC的 粒度为1. 0 2. 0 μ m，Ni的粒度为0. 8 1. 5 μ m，Co的粒度为0. 8 1. 5 μ m，TiCa7Na3的 粒度为1. 0 2. Ομπι ；金属陶瓷混合粉末的球磨介质为无水乙醇，其加量为100 500ml， 球磨速度为60 100r/min，研磨时间为36h 72h，研磨球为Φ6 8mm的WC 8wt% Co 硬质合金球，球料重量比为5 1 15 1 ；球磨后金属陶瓷料浆的真空干燥处理温度为 85°C 120°C，真空度为1 5Pa ；丁钠橡胶成型剂的加量为50 120wt% ；在300 500MPa 下压制成生坯；(2)在金属陶瓷生坯内孔中放置钢芯棒时，二者的同心度为0. 1 0. 6mm ；(3)真空烧结过程脱除成型剂在500°C 600°C进行，保温2 4h，真空度为10 15Pa。本发明的优点在于(1)生产工艺简单，不需要特殊贵重的设备；(2)通过“机械连接”和“冶金结合”的双重作用，表面金属陶瓷耐磨层与内部的钢 之间结合紧密；(3)金属陶瓷耐磨性好，密度低，Ti资源丰富，与钢结合使用不仅保证了优异的性 能而且具有成本优势。
图1本发明的金属陶瓷表面耐磨材料制备过程示意图
具体实施例方式实例1 配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中，Mo2C的粒度为1. O 2. O μ m，Ni 的粒度为0.8-1. 5 μ m，TiC0. Λ. 3的粒度为1. O 2. O μ m ；金属陶瓷成分为=Mo2C :10wt%, Ni :15wt%, TiCtl.凡.3为余量；球磨介质为无水乙醇，其加量为300ml，球磨速度为IOOr/ min，研磨时间为72h，研磨球为Φ8πιπι的WC-8% Co硬质合金球，球料重量比为5 1 ；球 磨后金属陶瓷料浆的真空干燥处理温度为85°C，真空度为5Pa ；丁钠橡胶成型剂的加量为80界1%;在300MPa下压制成高度为5mm，外径为20mm，内径为IOmm的生坯；采用10号钢(C 占0. lwt%，其余为Fe)作芯棒，其直径为7mm ；钢芯棒放置在金属陶瓷生坯内孔中，二者的 同心度为0. 4mm ；真空烧结过程脱除成型剂在550°C进行，保温2h，真空度为IOPa ；最终在 1410°C下烧结lh，真空度为5Pa。便制成表面为金属陶瓷层内部为钢、结合紧密的表面耐磨 材料。 实例2 配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中，Mo2C的粒度为1. 0 2.0 μ m，WC 的粒度为1. 0 2. 0 μ m，Ni的粒度为0. 8 1. 5 μ m，Co的粒度为0. 8 1. 5 μ m，TiC0.7N0.3 的粒度为 1. 0 2. Ομπι ；金属陶瓷成分为Mo2C :8wt%,Ni :10wt%,Co :10wt%,WC :5wt%, TiCa7Na3为余量；球磨介质为无水乙醇，其加量为400ml，球磨速度为80r/min，研磨时间为 70h，研磨球为Φ8mm的WC_8% Co硬质合金球，球料重量比为6 1 ；球磨后金属陶瓷料浆 的真空干燥处理温度为85°C，真空度为5Pa ；丁钠橡胶成型剂的加量为85wt% ；在400MPa 下压制成高度为6mm，外径为20mm，内径为15mm的生坯；钢芯棒成分为C :lwt%，W :18wt%, V :4wt%,Cr :5wt%,Fe为余量，其直径为IOmm ；钢质芯棒放置在金属陶瓷生坯内孔中，二者 的同心度为0. 5mm ；真空烧结过程脱除成型剂在550°C进行，保温3h，真空度为15Pa ；最终 在1400°C下烧结1. 5h，真空度为5Pa。便制成表面为金属陶瓷层内部为钢、结合紧密的表面 耐磨材料。
权利要求
一种金属陶瓷表面耐磨材料的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤(1)将原料粉末配制成金属陶瓷混合粉末，其重量百分比为Mo2C0～15％，WC0～15％，Ni0～20％，Co0～20％，TiC0.7N0.3为余量；金属陶瓷混合粉末经过球磨、过滤、干燥后压制成带圆柱孔的生坯；(2)将圆柱形钢芯棒放置在金属陶瓷生坯内孔中，钢芯棒各组成成份重量百分比为C0.03～1.0％，W0～20％，V0～5％，Cr0～5％，Fe为余量；钢质芯棒直径的确定方法为钢质芯棒直径＝扩散层厚度+金属陶瓷生坯孔径/收缩系数，其中扩散层厚度为0.05mm～2mm，收缩系数为1.2～1.8；(3)圆柱形钢芯棒与金属陶瓷生坯一起放入真空炉中，先脱除成型剂，然后经过烧结制备成金属陶瓷表面耐磨材料，烧结温度为1350～1450℃，保温时间为1～3h，真空度为1～5Pa。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷表面耐磨材料的制备方法，其进一步的特征在于(1)配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中，Mo2C的粒度为1.O 2. O μ m，WC的粒度为，1.O 2. O μ m，Ni的粒度为0. 8 1. 5 μ m，Co的粒度为0. 8 1. 5 μ m，TiC0.7N0.3的粒度为 1. 0 2. Oym ；金属陶瓷混合粉末的球磨介质为无水乙醇，其加量为100 500ml，球磨速 度为60 100r/min，研磨时间为36h 72h，研磨球为Φ6 8mm的WC 8wt% Co硬质合 金球，球料重量比为，5 1 15 1 ；球磨后金属陶瓷料浆的真空干燥处理温度为85°C 120°C，真空度为1 5Pa ；丁钠橡胶成型剂的加量为50 120wt% ；在300 500MPa下压 制成生坯；(2)在金属陶瓷生坯内孔中放置钢芯棒时，二者的同心度为0.1 0. 6mm ；(3)真空烧结过程脱除成型剂在500°C 600°C进行，保温2 4h，真空度为10 15Pa。
全文摘要
本发明公开了一种金属陶瓷表面耐磨材料的制备方法，其特征是先利用粉末冶金方法制备心部有圆柱孔的TiCN基金属陶瓷生坯；然后将一定尺寸的钢质芯棒放置在生坯的圆柱孔中；金属陶瓷生坯与钢质芯棒在1350℃～1450℃下进行真空烧结处理。金属陶瓷生坯发生尺寸收缩实现了致密化，控制其心部圆柱孔径小于钢质芯棒直径，便实现了与钢质芯棒的紧密机械连接。同时，烧结过程中金属陶瓷与钢质芯棒接触的边界部分发生相互扩散，保证了表面金属陶瓷层与心部钢材的冶金结合。本发明具有工艺简单、成本低、表面耐磨层与内部钢材结合紧密的优点。
文档编号C22C1/05GK101845581SQ20101018368
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者杨天恩, 杨梅, 熊素建, 熊计, 郭智兴, 陈建中 申请人:四川大学