Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属陶瓷材料和粉末冶金技术领域，具体涉及一种采用Ni3Al为粘结 剂的TiC基金属陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002] Ni和/或Co粘结Ti (C，N)基金属陶瓷具有高硬度，高强度，优异的耐磨性和耐高 温氧化性等一系列物理化学性能，是刀具、模具以及耐磨损部件的良好替代材料。然而，金 属陶瓷的高温应用因金属粘结相Ni和Co的高温软化效应而受到限制。因此，使用高温性 能良好的粘结剂代替Ni和Co的研究备受关注。Ni 3Al金属间化合物具有高硬度，高熔点， 优异的抗氧化性和耐磨蚀性，以及其强度在950°C内与温度的正相关性等性能。另外，Ni 3Al 可以充分润湿TiC。研究表明，Ni3Al熔体对TiC的润湿角< 15°，因此Ni3Al可作为金属 陶瓷良好的粘结剂。采用Ni3Al作粘结剂有利于提高TiC基金属陶瓷的抗腐蚀性，抗氧化 性和高温力学性能。
[0003] 从上世纪90年代至今，关于Ni3Al粘结金属陶瓷多停留在TiC-Ni 3Al二元 体系，难以发挥Ni3Al粘结金属陶瓷力学性能方面的优势；且大部分制备工艺为熔 渗法，如Plucknett等采用熔渗工艺制备的TiCVNi 3Al金属陶瓷，其室温抗弯强度达 到约1100MPa(4点弯曲，20vol. % Ni3Al)，且强度能维持到约1000 °C (见文献[1] Kevin Ρ· Plucknett，Paul F.Becher，and Shirley B. Waters. Flexure Strength of Melt-Infiltration-Processed Titanium Carbide/Nickel Aluminide Composites. J. Am. Ceram. Soc.，81 [7] 1839-44 (1998))。然而由于熔渗工艺极大依赖于前驱体材料的性能，如 孔隙率，孔隙的连通性等，且工艺较为复杂；相关报道指出熔渗工艺制备的TiC-Ni 3Al金属 陶瓷的力学性能存在一定的方向性，且不同方向力学性能相差较大（见文献[1])。
[0004] 本申请的发明人于2014年发表论文《Preparation，microstmcture and mechanical properties of multicomponent Ni3Al-bonded cermets》（见 文南犬 [2]B. Huang, ff. H. Xiong, Q. Q. Yang, Z. H. Yao, G. P. Zhang, M. Zhang. ^Preparation, microstructure and mechanical properties of multicomponent Ni3Al_bonded cermets"，Ceram. Int. 40 [9] 14073-14081 (2014) ·)，米用真空液相烧结工艺，以 Ni3Al 为粘 结剂制备TiC基金属陶瓷，解决熔渗法力学性能存在取向性的问题，但论文中所涉及的采 用Ni3Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷强度、硬度均不足，有待进一步的研究。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种采用Ni3Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷，同时提供其制备方法，解 决现有Ni 3Al粘结TiC基金属陶瓷存在的强度、硬度不足的问题，以使得金属陶瓷不仅具有 良好的强韧性，还具有优异的抗腐蚀性、抗氧化性和高温力学性能。
[0006] 本发明所提供的一种采用Ni3Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷，由原料经球磨混料、 模压成形和真空烧结制备而成，其特征在于：
[0007] 所述原料由TiC、Mo、WC、石墨以及含B的Ni3Al粉构成，原料中各组分的质量百 分比为：TiC 29%~46. 2%、Mo 8%~10%、WC 20%~25%、石墨 0· 8%~L 0%、含 B 的 Ni3Al 25 % ~30% ;
[0008] 所述含B的Ni3Al粉中，各组分的质量百分比为：Ni 87.23 %~87.93 %、A1 12. 07%~12. 67%、B 0· 5%~L 0%。
[0009] 所述的TiC基金属陶瓷的制备方法，包括Ni3Al粉制备步骤、球磨混料步骤、模压 成形步骤和真空烧结步骤，其特征在于：
[0010] (I)Ni3Al粉制备步骤：按质量百分比Ni 87. 23 %~87. 93 %、Al 12. 07 %~ 12. 67%、B 0. 5%~I. 0%，将Ni、Al和B粉混合，对混合料进行球磨后，加入酒精湿磨脱粉， 获得成分均匀的混合料料浆；混合料料浆经真空干燥、过筛，获得含B的Ni 3Al粉；
[0011] (2)球磨混料步骤：采用TiC、Mo、WC、石墨以及所述含B的Ni3Al粉为原料进行 混合，配制金属陶瓷混合料，原料中各组分的质量百分比为：TiC 29%~46. 2%、Mo 8%~ 10%、WC 20%~25%、石墨0.8%~1.0%、含B的Ni3Al 25%~35% ;然后对所述金属陶 瓷混合料进行湿式球磨，获得成分均匀的金属陶瓷料浆；
[0012] (3)模压成形步骤：所述金属陶瓷料浆经干燥、过筛后，在250MPa~400MPa压力 下模压成形，获得压坯；
[0013] (4)真空烧结步骤：将所述压坯在1480°C~1490°C温度下，真空烧结Ih~2h，得 到所需的金属陶瓷烧结体。
[0014] 所述Ni3Al粉制备步骤中，Ni、Al和B粉的纯度彡99. 0%。
[0015] 所述Ni3Al粉制备步骤中，所述球磨采用不锈钢球和不锈钢罐，在高纯氩气保护下 进行，球料质量比为15 : 1~20 : 1，转速为350rpm~400rpm，球磨时间不低于20h ;所 述加入酒精湿磨脱粉，酒精加入量不低于球磨罐容积的1/3,湿磨时间不低于2h ;所述真空 干燥采用真空烘箱，真空度为IO2~10 3pa。
[0016] 所述球磨混料步骤中，所述湿式球磨的球磨分散剂为无水乙醇，球磨介质为硬质 合金磨球，球料质量比为7 : 1~10 : 1，转速为150rpm~250rpm，球磨时间36h~48h。
[0017] 本发明以含B的Ni3Al粉作为TiC基金属陶瓷的粘结剂，通过添加 WC、Mo改善Ni3Al 对TiC颗粒的润湿性；在现有Ni作为粘结剂的金属陶瓷中，添加 WC可提高材料的强韧性， 但添加量一般低于质量百分比10%，过量添加 WC会使金属陶瓷力学性能下降。本发明采用 Ni3Al为粘结剂，所添加的WC质量百分比为20%~25%，申请人的研究表明，采用Ni3Al为 粘结剂，金属陶瓷中添加超过质量百分比20%的WC，克服了现有技术的局限，与传统Ni作 为粘结剂金属陶瓷芯环结构不同，本发明中，WC的添加可促进金属陶瓷中在TiC颗粒表面 形成高W含量的环形包覆层，这种环形包覆层是一种（Ti，W，Mo) C固溶体，可有效提高粘结 相Ni3Al对硬质相的润湿性；另外添加 WC可有效减小TiC颗粒尺寸，从而提高金属陶瓷力 学性能，所制备的Ni3Al粘结金属陶瓷，可有效提高材料的强度和硬度，具有优异的抗腐蚀 性、抗氧化性和高温力学性能，硬度90. 0~91. 5 HRA，室温抗弯强度彡1600MPa，断裂韧性 彡13MPa · m1/2,适合制作高速切削刀具、模具和耐热耐蚀零部件。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明采用Ni3Al为粘结剂的TiC基金属陶瓷的扫描电子显微图像。
【具体实施方式】
[0019] 以下结合实施例对本发明进一步说明。
[0020] 第一组实施例，包括Ni3Al粉制备步骤、球磨混料步骤、模压成形步骤和真空烧结 步骤：
[0021] (I) Ni3Al粉制备步骤：按照表1所示质量百分比，将Ni、Al和B粉混合，对混合料 进行球磨后，加入酒精湿磨脱粉，获得成分均匀的混合料料浆；混合料料浆经真空干燥、过 筛，获得Al~A4四份含B的Ni 3Al粉；
[0022] 表1 Ni3Al金属间化合物名义成分及各原料的重量百分比
[0024] 其中，Ni、Al和B粉的纯度多99. 0% ;各组混合料原料粉末的平均粒度、纯度与氧 含量如表2所示；
[0025] 表2原料粉末平均粒度、纯度及氧含量
[0027] 所述球磨采用不锈钢球和不锈钢罐，在高纯氩气保护下，球料质量比为15 : 1~ 20 :