專利名稱：一種高強高韌耐高溫金屬陶瓷材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種材料特別涉及陶瓷材料，具體來說是一種金屬陶瓷材料。
背景技術：
目前，擠壓是銅、鋁等金屬材料加工中不可缺少的重要手段，目前有色金屬加工行業用的擠壓模主要是鋼模和金屬陶瓷模兩種。對于變形抗力較大的銅合金則幾乎全部采用的是金屬陶瓷模(成分為W、Cr、Ni、Al2O3等)，但從使用情況來看，現有的金屬陶瓷模具壽命仍不盡人意，特別是擠壓白銅合金時情況更加嚴重，其平均壽命只有40～60根；另一方面，金屬陶瓷模具目前的價格相當高。專利發明人通過詳細研究發現，目前以三氧化二鋁作為陶瓷相的金屬陶瓷材料雖然高溫硬度達到要求，但由于其韌性較差，使用中熱擠壓模具容易開裂而失效，因此改善金屬陶瓷材料的韌性是提高金屬陶瓷熱擠壓模具壽命的重要途徑。
與三氧化二鋁相比，二氧化鋯雖然硬度較低，但具有較高的韌性。鋯剛玉(Al2O3·XZrO2)是一種由剛玉(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)在2000℃以上高溫合成的高強高韌陶瓷材料，其具有與三氧化二鋁相近的硬度，并且韌性有很大提高，能夠明顯抑制陶瓷材料中的脆性斷裂、顯著提高材料的抗熱震性能；另一方面，由于氧化鋯與鎳等金屬的潤濕性能比三氧化二鋁與金屬的潤濕性能好，因此陶瓷相中含有氧化鋯成份能夠提高陶瓷相與金屬相之間的潤濕性，從而增加界面結合強度，提高材料整體性能。添加La2O3、Y2O3等稀土氧化物對ZrO2的晶體穩定性有很明顯的提高作用，并能進一步改善陶瓷相與金屬相之間的界面結合狀況。鋯剛玉中氧化鋯含量的多少對鋯剛玉的穩定性、硬度、韌性、抗熱震等性能有較大影響，因此如何針對特定的用途調整選擇適當的鋯剛玉成份是難點也是問題的關鍵。以前鋯剛玉主要用于耐火材料領域，在噴涂方面也有少量應用，但在高性能金屬陶瓷方面的應用并未引起人們的足夠重視。
本發明在充分研究了鋯剛玉粉末材料性質的基礎上，針對有色金屬高溫擠壓模具的用途要求，通過大量試驗，提出采用鋯剛玉(Al2O3·XZrO2)為陶瓷相原料，添加W、Cr、Ni、稀土等粘結相成份，所制備高強度、高韌性、耐高溫金屬陶瓷材料，性能檢測表明，采用該材料制造的高溫模具材料具有良好的耐磨性能和抗熱震性能，并具有很長的使用壽命。
發明內容
本發明的目的在于為解決現有金屬陶瓷熱擠壓模具材料易開裂失效、壽命短的缺點，提出一種金屬陶瓷材料，這種金屬陶瓷材料具有高強度、高韌性和耐高溫的特點，適用于制造熱擠壓模具、高溫結構材料、切削刀具等，可大幅度提高上述材料的強度、韌性及耐高溫性能，延長使用壽命。
本發明的目的是通過下述方式實現的本發明的金屬陶瓷材料包括鋯剛玉、鎢、鉻、鈷、鎳，所述的鋯剛玉占總重量的5～40％，所述的鎢占總重量的20％-80％，所述的鉻占總重量的10％-50％，所述的鈷占總重量的0.1％-20％，所述的鎳占總重量的1％-20％。
本發明的金屬陶瓷材料還包括稀土，所述稀土占總重量的0-15％。
所述的鋯剛玉是由占總重量70％-95％的三氧化二鋁和占總重量5％-30％的二氧化鋯組成。其粒度范圍為1-100μm。
本發明的金屬陶瓷材料各成分優選的重量百分比為鋯剛玉占總重量的5～30％，所述的鎢占總重量的30％-55％，所述的鉻占總重量的20％-40％，所述的鈷占總重量的1％-5％，所述的鎳占總重量的5％-10％。
本發明金屬陶瓷材料制備工藝為配料、混合、成型、燒結、后加工；其中燒結可以采用以下三種的燒結工藝①熱壓燒結溫度1600℃-1900℃，燒結時間30-60分鐘，施加壓力1～30MPa，氣氛真空或氬氣、氮氣、氫氣保護氣氛。
②熱等靜壓燒結1500℃-1900℃，壓力50-200Mpa，氣氛氬氣、氮氣、氫氣保護氣氛，燒結時間3-8小時。
③真空預燒結+氣氛燒結溫度由室溫-1400℃時真空氣氛預燒結，時間2-4小時，1400℃-1900℃是氬氣、氮氣或氫氣保護下燒結，時間0.5-3小時。
由于本發明的金屬陶瓷材料可以很好地解決現有金屬陶瓷熱擠壓模具材料易開裂失效、壽命短的缺點，具有高強度、高韌性和耐高溫的特點，由本發明的材料制備得到的熱擠壓模具、高溫結構材料、切削刀具等相應的強度、韌性及耐高溫性能均得到了大幅度提升，也延長了使用壽命。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明進行詳細說明，下面的例子只是符合本發明技術內容的幾個實例，并不說明本發明僅限于下述實例所述的內容，本行業中的技術人員依照本發明權利要求項制造的產品均屬本發明內容。
實施例1熱壓燒結工藝
1)配料W147g，Cr105g，Ni20g，Co4g，鋯剛玉粉(Al2O3·0.25ZrO2)(平均粒度100μm)18g。
2)球磨混料將配置好的粉末裝入硬質合金球磨罐內，用100ml乙醇作球磨介質，球磨時間為72小時，球磨后將粉末在真空在烘干。
3)熱壓燒結把粉末裝入石墨模具中燒結，燒結在熱壓燒結爐中進行，燒結溫度為1800℃，燒結時間30分鐘，施加壓力20MPa，燒結在氬氣保護氣氛下進行。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例2熱壓燒結工藝1)配料W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.25ZrO2))(平均粒度150μm)38g。
2)球磨混料同實施例1。
3)熱壓燒結同實施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例3熱壓燒結工藝1)配料W70g，Cr145g，Ni5g，Co0.3g鋯剛玉粉((Al2O3·0.1ZrO2))(平均粒度20μm)80g。
2)球磨混料同實施例1。
3)熱壓燒結同實施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例4熱壓燒結工藝4)配料W100g，Cr90g，Ni18g，Co4g鋯剛玉粉(Al2O3·0.1ZrO2)(平均粒度20μm)88g。
5)球磨混料同實施例1。
6)熱壓燒結同實施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
對比例1熱壓燒結工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，白剛玉粉(Al2O3，平均粒度150μm)38g。
2)球磨混料同實施例1。
3)熱壓燒結同實施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例5熱等靜壓燒結工藝1)配料同實施例2。
2)球磨混料將配置好的粉末裝入硬質合金球磨罐內，加入15g石蠟作成型劑，用100ml乙醇作球磨介質，球磨時間為72小時，球磨后將粉末在真空在烘干。
3)成型將粉末鋼制模具先進行模壓，再真空包套，然后冷等靜壓成型，壓力100MPa。
4)脫膠由室溫逐漸升溫至680℃，時間6小時。
5)熱等靜壓燒結燒結溫度1600℃，壓力80MPa。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例6熱等靜壓燒結工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W111g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.1ZrO2))(平均粒度20μm)50g。
2)球磨混料同實施例1。
3)成型同實施例4。
4)脫膠同實施例4。
5)熱等靜壓燒結燒結溫度1600℃，壓力200MPa。
所制備的材料性能如表1所示。
對比例2熱等靜壓燒結工藝4)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，白剛玉粉(Al2O3，平均粒度20μm)50g。
5)球磨同實施例1。
6)熱壓燒結同實施例1。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例7真空預燒結+氣氛燒結工藝
1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)38g。
2)球磨混料同實施例1。
3)成型同實施例4。
4)脫膠同實施例4。
5)真空燒結氣氛保護燒結在0-1300℃真空氣氛下燒結，1300℃保溫30分鐘后通氬氣保護，繼續升溫至1700℃保溫30分鐘。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例8真空預燒結+氣氛燒結工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W235g，Cr35g，Ni14g，Co1g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)15g。
2)球磨混料同實施例1。
3)成型同實施例4。
4)脫膠同實施例4。
5)真空燒結氣氛保護燒結在0-1300℃真空氣氛下燒結，1300℃保溫30分鐘后通氬氣保護，繼續升溫至1700℃保溫30分鐘。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例9真空預燒結+氣氛燒結工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W80g，Cr44g，Ni4g，Co55g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)120g。
2)球磨混料同實施例1。
3)成型同實施例4。
4)脫膠同實施例4。
5)真空燒結氣氛保護燒結在0-1300℃真空氣氛下燒結，1300℃保溫30分鐘后通氬氣保護，繼續升溫至1700℃保溫30分鐘。
所制備的材料性能如表1所示。
實施例10真空預燒結+氣氛燒結工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W80g，Cr44g，Ni55g，Co1g，La2O340g，鋯剛玉粉((Al2O3·0.2ZrO2))(平均粒度20μm)80g。
2)球磨混料同實施例1。
3)成型同實施例4。
4)脫膠同實施例4。
5)真空燒結氣氛保護燒結在0-1300℃真空氣氛下燒結，1300℃保溫30分鐘后通氬氣保護，繼續升溫至1700℃保溫30分鐘。
所制備的材料性能如表1所示。
對比例3真空預燒結+氣氛燒結工藝1)配料按重量百分比稱量各種原料。其中W123g，Cr105g，Ni20g，Co4g，La2O34g，白剛玉粉(Al2O3，平均粒度20μm)38g。
2)球磨同實施例1。
3)熱壓燒結同實施例1。
所制備的材料性能如表1所示。表1實施例與對比例材料性能指標
權利要求
1.一種高強高韌耐高溫金屬陶瓷材料，其特征在于包括鋯剛玉、鎢、鉻、鈷、鎳，所述的鋯剛玉占總重量的5～40％，所述的鎢占總重量的20％-80％，所述的鉻占總重量的10％-50％，所述的鈷占總重量的0.1％-20％，所述的鎳占總重量的1％-20％。
2.根據權利要求1所述的一種高強高韌耐高溫金屬陶瓷材料，其特征在于鋯剛玉占總重量的5～30％，所述的鎢占總重量的30％-55％，所述的鉻占總重量的20％-40％，所述的鈷占總重量的1％-5％，所述的鎳占總重量的5％-10％。
3.根據權利要求1或2所述的一種高強高韌耐高溫金屬陶瓷材料，其特征在于還包括稀土，所述稀土占總重量的0-15％。
4.根據權利要求1或2所述的一種高強高韌耐高溫金屬陶瓷材料，其特征在于鋯剛玉是由占總重量70％-95％的三氧化二鋁和占總重量5％-30％的二氧化鋯組成。
全文摘要
一種高強高韌耐高溫金屬陶瓷材料，適用于制造熱擠壓模具、高溫結構材料、切削刀具等，可大幅度提高上述材料的強度、韌性及耐高溫性能，延長使用壽命。所述的金屬陶瓷材料由鋯剛玉及鎢、鉻、鈷、鎳、稀土組成，所述的鋯剛玉占總重量的5％～40％，所述的鎢占總重量的20％－80％，所述的鉻占總重量的10％－50％，所述的鈷占總重量的0.1％－20％，所述的鎳占總重量的1％－20％，所述稀土占總重量的0－15％；所述的鋯剛玉是由占總重量70％－95％的三氧化二鋁和占總重量5％－30％的二氧化鋯組成，所述的金屬陶瓷材料可以采用熱壓、熱等靜壓、真空燒結氣氛保護燒結工藝燒結而成。
文檔編號C04B35/00GK101041875SQ20071003481
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月25日 優先權日2007年4月25日
發明者李薦, 彭振文, 易丹青, 黃亮, 姜媛媛 申請人:中南大學