一种高强度高耐磨金属陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于高性能陶瓷制备技术领域，特别涉及一种高强度高耐磨金属陶瓷及其制备方法。

背景技术：

tic基金属陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐磨性好等特点，用金属陶瓷制造的刀具在切割的时候不易粘刀，可保证工件的加工质量，在工业领域具有广阔的应用前景。但是tic作为强共价键化合物，面临烧结温度较高和韧性差等特点。为了改善上述性能，通常在tic金属陶瓷中加入金属钴和金属镍作为粘结相降低烧结温度，并且加入mo2c、wc、tac、nbc、vc等碳化物改善润湿、细化晶粒、提升性能。

目前，tic基金属陶瓷材料的传统烧结技术包括真空烧结、热压烧结技术以及低压热等静压烧结技术等。真空烧结技术未施加压力，不能为烧结过程中的颗粒重排以及传质致密化提供足够的附加压力。热压烧结技术中的静态机械压力在不能促进颗粒的重排以提升粉体的堆积密度，并且当机械压力施加在烧结后期时，金属粘结相已经融化，机械压力会使粘结相从产品中流出，影响产品的成分均匀性和相关力学性能，影响tic基相关制品的应用。低压热等静压烧结技术对生产设备要求较高，不利于降低高性能产品的生产成本。

因此，非常有必要开发一种适用于制备tic基金属陶瓷材料的烧结技术，解决致密化和液相流出这一难题，从而获得结构成分均匀、机械性能优异的高耐磨tic基金属陶瓷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，旨在解决现有技术中tic基金属陶瓷材料烧结过程中存在致密度低、成分均匀性差和力学性能不佳的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种高强度高耐磨金属陶瓷。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

s1.球磨处理：准确称量原料，采用球磨法将原料混合均匀，得到混合料；

s2.造粒：采用喷雾造粒法对步骤s1得到的混合料进行造粒，得到造粒料；

s3.第一次烧结处理：将步骤s2的造粒料放入模具并置于烧结炉中，在真空气氛下进行第一次烧结处理，同时施加动态的振荡压力，降温后得到预烧体；

s4.第二次烧结处理：将步骤s3得到的预烧体进行加工成所需形状，然后在真空气氛下进行第二次烧结处理，即得。

进一步地，步骤s1中，所述原料由以下质量分数的组分组成：陶瓷粉末95～98％，有机结合剂2～5％；所述陶瓷粉末的粒径为0.5～2μm。

更进一步地，所述陶瓷粉末包括以下质量分数的各元素：

ti：40～50wt.％，

c：15～25wt.％，

w：10～15wt.％，

co：5～10wt.％，

nb：1～5wt.％，

ni：5～10wt.％，

ta：1～3wt.％。

更进一步地，所述有机结合剂为中分子醇。

更进一步地，所述有机结合剂为分子量30000～100000的pvb。

进一步地，骤s1中，所述球磨处理的工艺参数为：转速为50～100r/min，球磨时间为12～24h。

进一步地，步骤s2中，所述喷雾造粒的工艺参数为：入料口温度为150～250℃，出料口温度为50～120℃，雾化器转速为5500～6500r/min。

进一步地，步骤s3中，所述第一次烧结处理的工艺参数为：烧结温度为1200～1400℃，保温时间为30～120min，恒定压力值为30mpa，振荡压力的振幅为1～10mpa，振荡压力的频率为2～50hz，升温速率为10～20℃/min，降温速率为8～12℃/min。

进一步地，步骤s4中，所述第二次烧结处理的工艺参数为：烧结温度为1400～1500℃，升温速率为10～20℃/min，降温速率为8～12℃/min，保温时间为30～120min。

进一步地，所述第一次烧结处理和第二次烧结处理过程中，真空度均＜5pa。

本发明还提供一种上述高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法制备得到的高强度高耐磨金属陶瓷。

本发明提供的高强度高耐磨金属陶瓷及其制备方法的有益效果在于：

本发明采用振荡压力烧结技术在较低温度下对粉体进行预烧结，动态压力可促进颗粒重排和高粘度粘结相的粘滞流动，该过程中压力施加时，烧结温度较低，液相粘度较大，不易从样品中挤出。另外，该过程获得的颗粒堆积紧密的预烧坯体强度不高，便于加工成特定形状。

本发明采用真空烧结方式对坯体进行二次烧结，由于第一步振荡压力获得坯体粉体堆积密度较高，真空烧结温度较低，减小了金属粘结相的挥发。

本发明制备的tic金属陶瓷密度较高，强度达2000mpa，相对于采用传统真空烧结所得tic陶瓷的强度和耐磨性有显著的提高，得到的金属陶瓷使用寿命长，可以满足机械工业的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明制备高强度高耐磨金属陶瓷的工艺流程图。

图2是本发明实施例1中制备得到的高强度高耐磨金属陶瓷样品数码照片。

图3是本发明实施例1制备得到的高强度高耐磨金属陶瓷的扫描电镜图。

图4是本发明实施例1制备得到的高强度高耐磨金属陶瓷的能谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

s1.球磨处理：准确称量tic基陶瓷粉末980g和pvb20g，加入无水乙醇作为球磨介质，采用行星式球磨机将原料混合均匀，得到混合料；其中，球磨处理的工艺参数为：转速为80r/min，球磨时间为24h；

s2.造粒：采用喷雾造粒法对步骤s1得到的混合料进行造粒，造粒过程中，入料口温度为180℃，出料口温度为50℃，雾化器转速为5500r/min，得到粒度为20μm的造粒料；

s3.第一次烧结处理：将步骤s2的造粒料放入直径为100mm的石墨模具中，并将其置于振荡热压烧结炉中，在真空度为4pa的真空气氛下进行第一次烧结处理，以15℃/min缓慢升温至烧结温度1250℃，保温时间为30min，恒定压力为30mpa，同时施加动态的振荡压力，振荡压力的振幅为10mpa，频率为5hz，然后以10℃/min降温至室温，即得预烧体；

s4.第二次烧结处理：将步骤s3得到的预烧体取出，加工成所需形状，然后在真空度为4pa的真空气氛下进行第二次烧结处理，以15℃/min缓慢升温至烧结温度1420℃，保温时间为60min，然后以10℃/min降温至室温，即得tic基金属陶瓷材料。

其中，步骤s1中，tic基陶瓷粉末的粒径为2μm，包括以下质量分数的各元素：ti：50wt.％，c：15wt.％，w：10wt.％，co：7wt.％，nb：5wt.％，ni：10wt.％，ta：3wt.％；pvb的分子量为30000。

实施例2

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s1中，准确称量tic基陶瓷粉末950g和pvb50g；其中，tic基陶瓷粉末的粒径为0.5μm，包括以下质量分数的各元素：ti：40wt.％，c：25wt.％，w：15wt.％，co：10wt.％，nb：1wt.％，ni：8wt.％，ta：1wt.％，pvb的分子量为100000；球磨处理的工艺参数为：转速为100r/min，球磨时间为12h。

实施例3

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s1中，准确称量tic基陶瓷粉末960g和pvb40g；其中，tic基陶瓷粉末的粒径为1μm，包括以下质量分数的各元素：ti：45wt.％，c：25wt.％，w：14wt.％，co：5wt.％，nb：4wt.％，ni：5wt.％，ta：2wt.％，pvb的分子量为50000；球磨处理的工艺参数为：转速为60r/min，球磨时间为20h。

实施例4

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s2中，喷雾造粒的工艺参数为：入料口温度为150℃，出料口温度为100℃，雾化器转速为6500r/min。

实施例5

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s2中，喷雾造粒的工艺参数为：入料口温度为250℃，出料口温度为120℃，雾化器转速为6000r/min。

实施例6

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s3中，所述第一次烧结处理的工艺参数为：烧结温度为1200℃，保温时间为120min，恒定压力值为30mpa，振荡压力的振幅为1mpa，振荡压力的频率为50hz，升温速率为10℃/min，降温速率为8℃/min。

实施例7

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s3中，所述第一次烧结处理的工艺参数为：烧结温度为1400℃，保温时间为60min，恒定压力值为30mpa，振荡压力的振幅为5mpa，振荡压力的频率为20hz，升温速率为20℃/min，降温速率为12℃/min。

实施例8

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s4中，所述第二次烧结处理的工艺参数为：烧结温度为1500℃，升温速率为10℃/min，降温速率为8℃/min，保温时间为30min。

实施例9

本实施例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s4中，所述第二次烧结处理的工艺参数为：烧结温度为1400℃，升温速率为20℃/min，降温速率为12℃/min，保温时间为120min。

对比例1

本对比例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s3中，第一次烧结处理过程中不施加动态的振荡压力。

对比例2

本对比例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s3中，振荡压力的振幅为0.5mpa，频率为60hz。

对比例3

本对比例提供一种高强度高耐磨金属陶瓷的制备方法，参照实施例1的操作步骤，与实施例1的不同之处在于：步骤s3中，振荡压力的振幅为12mpa，频率为1hz。

图1是本发明制备高强度高耐磨金属陶瓷的工艺流程图。

图2是本发明实施例1中制备得到的高强度高耐磨金属陶瓷样品数码照片，该产品表面无气孔缺陷，抗弯强度高达2000mpa，硬度达到1500hv5，断裂韧性为11mpa·m^1/2。

图3是本发明实施例1制备的高强度高耐磨金属陶瓷样品的扫描电镜图，图4是本发明实施例1制备得到的高强度高耐磨金属陶瓷的能谱图。从图3～4可以看出采用本发明烧结方法制备的金属陶瓷材料表面没有缺陷，产品主要由c、n、o、ti、co、ni、mo和w组成。

分别对实施例1～9以及对比例1～3中制备得到的tic基金属陶瓷材料各项性能进行检测，包括抗弯强度、硬度和断裂韧性，具体检测结果见表1。

表1

本发明将振荡热压烧结技术和真空烧结技术结合起来，在较低温度下对粉体进行预烧结，动态压力可促进颗粒重排和高粘度粘结相的粘滞流动，该过程中压力施加时，烧结温度较低，液相粘度较大，不易从样品中挤出，从而有效解决了致密化和液相流出这一矛盾问题。

本发明制备的tic金属陶瓷密度较高，抗弯强度达2000mpa，相对于采用传统真空烧结所得tic陶瓷的强度和耐磨性有显著的提高，得到的金属陶瓷使用寿命长，可以满足机械工业的要求。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。