一种梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种梯度结构Ti(C，脚基金属陶瓷的制备方法，属于粉末冶金技术领 域。
【背景技术】
[000引 Ti佑脚基金属陶瓷因具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金 属间极低的摩擦系数等一系列优良特性，且主要原料资源丰富、成本低，逐渐成为了硬质合 金理想的升级替代品。但与传统硬质材料一样，金属陶瓷仍然存在着硬度与强初性的矛盾， 材料硬度越高，强初性越差。要提高其强初性往往是W硬度的下降为代价的。
[0003] 解决上述矛盾通常的办法是用PVD和CVD的方法在强初性较佳的金属陶瓷表面涂 覆高硬度的涂层。然而此类方法不仅价格昂贵，且制得的材料因涂层与基体之间存在明显 的界面，与基体之间物理性能也相差甚远，在使用过程中，外载的作用很容易导致表面涂层 剥落。而梯度结构金属陶瓷由于成分与组织呈连续梯度的变化，能很好地解决上述问题。
[0004] 制备梯度结构金属陶瓷的方法有多种，其中较成熟且已用于工业生产的是原位扩 散法，通常所说的渗碳法和渗氮法即属该法。目前，有人发明了通过在高温氮气环境中进 行氮化处理制备梯度结构金属陶瓷，但该方法工艺过程很长，制备效率较低，且表面富硬质 层较薄，一般不超过20 y m。为增加其表面梯度层厚度，也有人发明了双辉等离子渗碳法制 备梯度结构金属陶瓷，使表面富硬质层厚度达到40 y m，但双层辉光等离子渗碳技术中普遍 存在着温度的精确控制问题W及离子轰击对表面成分分布造成影响等问题，因此所制得的 产品性能不稳定，并且其生产效率极低，目前一直难W实现产业化。另一方面，上述两种制 备梯度结构金属陶瓷的方法均需两次加热，即首先制备基体，然后再加热到较高的温度下， 对其进行渗碳或渗氮等处理，不仅工艺周期长、能耗高，而且两次加热总是造成基体晶粒长 大，导致基体材料强初性降低。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种在一个完整的热循环中制备梯度结 构Ti佑脚基金属陶瓷的方法，W达到缩短工艺周期、降低能耗和生产成本、提高材料的综 合机械性能、使用性能和生产率、延长金属陶瓷的使用寿命等目的。
[0006] 本发明提供的梯度结构Ti (C，脚基金属陶瓷的制备方法，包括W下步骤：
[0007] 步骤1、配制C含量比正常化学计量的Ti (C，脚基金属陶瓷低1. 3-2. 3wt %的混合 料；
[0008] 步骤2、将上述混合料经球磨、添加成型剂、压制成型、脱脂工序，然后在真空/气 氛烧结炉中进行高温烧结，得到梯度结构金属陶瓷；
[0009] 其中所述的烧结包括H个阶段：首先将压逐升温至1390-143(TC，真空度高于 1. 0X l〇-ipa，保温时间为20-40min ;然后在此温度通入化与H2的混合气体（其体积比为 1:1)，压力为 0. 01-0. 〇6MPa,继续保温 10-30min ;最后降温至 1270-1320°C，保温 60min。
[0010] 所述的步骤1中金属陶瓷混合料的Ni含量相对较高，w保证Ti佑脚基金属陶瓷 具有较高的强初性；C含量比相应成分配方的正常化学计量低，W保证渗碳处理后，不形成 对Ti佑脚基金属陶瓷组织和性能有害的第H相（如石墨）。
[0011] 所述的步骤2中烧结方法是在一个完整的热循环中完成，包括H个阶段。第一阶 段升温至1390-1430。对其进行真空液相烧结，目的是使Ti(C，脚基金属陶瓷达到接近致 密的状态；第二阶段在此液相烧结温度通入渗碳气氛（C&与H2的混合气体），目的是使材 料从表到里形成较厚的碳势梯度（因为C在液相中有更快的扩散速度）。由于金属Ni相 中固溶的碳含量影响金属陶瓷的液相点，当固溶的碳含量小于1.97wt%时，碳含量越高，其 液相点越低，反之亦然，因而当材料从表到里形成碳势梯度时，表面富碳层的液相点低，芯 部液相点高，因而表面区域液相Ni的体积分数比芯部高，进而产生液相压力差，导致液相 Ni向芯部迁移；第H阶段降温至1270-132(TC，目的是使材料芯部液相Ni先凝固，液相量 减少，而表面区域仍保留较多的液相，导致材料从表到里形成较大的液相压力差，并且保温 60min，使其充分向内迁移，最终形成表面粘结相Ni较低而内部粘结相Ni较高的梯度结构 金属陶瓷。
[0012] 所述步骤2中球磨工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为200rpm，时间为 2化。
[0013] 所述步骤2中所用成型剂为聚己帰醇水溶液，加入比例为混合料的4wt%。
[0014] 所述步骤2中压制成型工序所用压制压力为250-320MPa。
[0015] 所述步骤2中脱脂工序在真空度高于10化的真空炉中进行，在200-40(TC之间的 升温速度为0. 6°C /min。
[0016] 本发明有益效果在于：
[0017] (1)由于渗碳气氛是在液相烧结过程中引入，碳原子在液相中扩散更快，因此所制 得的金属陶瓷梯度层更厚，提高了 2~5倍；
[0018] (2)本发明工艺过程简单，在一个完整的热循环中完成，无需进行两次加热，能避 免第二次加热对基体组织和性能造成的损害；
[0019] (3)本发明对生产设备无特殊要求，有利于工业推广应用；
[0020] (4)本发明能显著节约能耗、降低生产成本、提高生产率。
【具体实施方式】
[0021] W下结合实例进一步说明本发明的技术效果。W下实例所采用的原料为TiC、TiN、 Ni、Mo、WC、Ti 粉末。
[0022] 表1是4种成分配方的混合料。采用实施例1-4的4种不同的工艺参数将其制备 成梯度结构Ti (C，脚基金属陶瓷，并分别测定其表面硬度、芯部硬度和抗弯强度。
[0023] 表1四种混合料的成分配方
[0024]
【主权项】
1. 一种梯度结构Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤1、配制C含量比正常化学计量的Ti (C，N)基金属陶瓷低I. 3-2. 3wt%的混合料； 步骤2、将上述混合料经球磨、添加成型剂、压制成型、脱脂工序，然后在真空/气 氛烧结炉中进行高温烧结，得到梯度结构金属陶瓷，其中所述烧结在一个完整的热循环 中完成，分为三个阶段：首先将压坯升温至1390-1430°C，真空度高于LOX KT1Pa,保温 时间为20-40min ;然后在此温度通入014与H 2的混合气体(其体积比为1:1)，压力为 0. 01-0. 06MPa，继续保温 10-30min ;最后降温至 1270-1320°C，保温 60min。
2. 根据权利要求1所述的梯度结构Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所 述步骤2中球磨工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为200rpm，时间为20h。
3. 根据权利要求1所述的梯度结构Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所 述步骤2中所用成型剂为聚乙烯醇水溶液，加入比例为混合料的4wt%。
4. 根据权利要求1所述的梯度结构Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所 述步骤2中压制成型工序所用压制压力为250-320MPa。
5. 根据权利要求1所述的梯度结构Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所 述步骤2中脱脂工序在真空度高于IOPa的真空炉中进行，在200-400°C之间的升温速度为 0· 6°C /min〇
【专利摘要】本发明提供了一种梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法。本发明的制备方法特点在于：配制C含量低于正常化学计量的混合料，依次经混料、添加成型剂、压制成型、脱脂、高温烧结得到梯度结构金属陶瓷。其中烧结包括三个阶段：首先将压坯升温至1390-1430℃进行真空烧结，保温时间为20-40min；然后在此温度通入CH4与H2的混合气体，继续保温10-30min；最后降温至1270-1320℃，保温60min。该方法制备的金属陶瓷表面区域富含硬质相，芯部富含粘结相，使得材料具有较高强度的同时表面硬度得到了极大地提高。且该方法具有生产率高，生产成本和能耗较低等特点。
【IPC分类】C22C29-04, C22C1-05
【公开号】CN104630530
【申请号】CN201510048169
【发明人】郑勇, 赵毅杰, 周伟, 吕学鹏, 李 一
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月29日