一種新型碳化鈦金屬陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于碳化鈦金屬陶瓷及其制備技術領域，提出了一種新型碳化鈦金屬陶瓷及其快速原位反應燒結方法。所述新型碳化鈦金屬陶瓷的成分質量百分比為：TiC 55–70%，Fe 25–35%，Mo2C 0–15%，VC 0–5%。新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法包括準備原料及稱量配料、球磨混合細化原料、快速制備金屬陶瓷等工藝步驟。本發明中碳化鈦粉體和粘結相鐵通過原位碳熱還原反應直接生成，克服了常規粉末冶金法中粉體分別合成再燒結導致的粘結相鐵易氧化，以及在兩相界面易引入雜質等缺陷。本發明具有工藝流程較短、升溫速率很快、燒結溫度較低、燒結時間很短、熱壓燒結、粉體生成與燒結一體化等諸多優勢。
【專利說明】一種新型碳化鈦金屬陶瓷及其制備方法
[0001]
技術領域
[0002]本發明屬于碳化鈦金屬陶瓷及其制備技術領域，更具體地說，是一種新型鐵粘結碳化鈦金屬陶瓷及其快速原位反應燒結方法。
[0003]
【背景技術】
[0004]碳化鈦金屬陶瓷是以TiC為硬質相，以N1、Co等為粘結相，以其他添加劑組成的金屬基復合材料，具有高熔點、高硬度、化學穩定性和導電性好等系列優點，因而是硬質合金、耐磨部件、切削刀具、電極等的優選材料。然而，Ni和Co為稀有戰略金屬，其市場價格比較昂貴。因而，選擇一種具有較佳粘結性能的廉價金屬替代Ni和Co是非常必要的。
[0005]Fe與N1、Co同屬元素周期表VID A組元素，具有相似特性，而且Fe資源豐富，價格便宜，因而是碳化鈦金屬陶瓷較理想的替代粘結相。但是，以TiC、Fe等為原料，通過傳統混料、球磨、制粒、成型、燒結的粉體冶金法制備TiC基金屬陶瓷不但工序長、能耗大、成本高，同時由于Fe易氧化導致金屬陶瓷成分難以控制，以及各組分界面污染而影響材料性能。因而，探索一條低成本、短流程制備高性能碳化鈦金屬陶瓷的新途徑就顯得非常重要。
[0006]天然鈦鐵礦采選出來的鈦精礦價格便宜，主要成分為Ti02、Fe2O3和FeO，以其為主要原料短流程原位制備高性能新型鐵粘結碳化鈦金屬陶瓷值得期待。近年來，鈦精礦原位碳熱還原制備鐵基復合粉體及塊材的研究逐漸增多，采用的方法主要有真空燒結、熱壓燒結、微波燒結。在這些方法中，真空燒結反應速度慢，粉體合成和塊材制備分開進行，工藝流程長，屬于傳統粉體冶金法。熱壓燒結加壓與燒結同步進行，流程較短，制備材料性能較好，但加熱方式決定了其反應燒結時間較長。微波燒結反應燒結時間短，但還是屬于無壓燒結，材料性能提尚受限。
[0007]
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于克服現有技術不足之處，提供一種不含Ni和Co粘結相的碳化鈦金屬陶瓷，以及提供一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法。
[0009]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種新型碳化鈦金屬陶瓷，其特征在于，材料的成分質量百分比為:TiC 55 - 70%，Fe25 - 35%，Mo2C O - 15%，VC O - 5%，材料中的TiC和Fe由鈦精礦原位碳熱還原反應獲得，TiC不足時由T12碳熱還原反應產物補充。
[0010]一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，工藝步驟如下:
(I)準備原料及稱量配料
根據所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分確定原料質量配比，將鈦精礦粉體、碳源粉體和添加劑粉體按照確定配比稱量配料；
(2)球磨混合細化原料
將上述配好原料和硬質合金磨球放入球磨罐中，在高能球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨，直至獲得均勻混合的納米晶原料細粉；
(3)快速制備金屬陶瓷
將上述均勻混合原料細粉裝入石墨模具后，置于放電等離子燒結系統加熱腔內，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結，制得碳化鈦金屬陶瓷。
[0011]所述高能球磨的球料比為10:1 -30:1，球磨時間為10_40h。
[0012]所述放電等離子快速制備金屬陶瓷分兩步完成，第一步為原位碳熱還原，第二步為金屬陶瓷的燒結，工藝條件分別如下:
第一步:初始真空度〈IPa，系統壓力1-5MPa，升溫速率200 - 300°C /min，反應溫度1250 - 1400°C，保溫時間 10 - 20min ；
第二步:燒結真空度〈IPa，系統壓力50 - 80MPa，升溫速率100 - 200°C /min，燒結溫度1400 - 1450°C，保溫時間 3 - 5min。
[0013]相比現有技術，本發明具有如下突出優點:
1.本發明不使用價格較昂貴的TiC陶瓷粉體為鈦源，不使用戰略金屬N1、Co作為粘結相，所用主要原料鈦精礦來源廣、價格低，并可同時提供部分鈦源和粘結相鐵兩種成分。
[0014]2.本發明中碳化鈦粉體和粘結相鐵通過原位碳熱還原反應直接生成，克服了常規粉末冶金法中粉體分別合成再燒結導致的粘結相鐵易氧化，以及在兩相界面易引入雜質等缺陷。
[0015]3.本發明克服了僅用鈦精礦為鈦源金屬陶瓷TiC成分單一的缺點，通過外加T12的碳熱還原可補充TiC，并添加Mo2C改善Fe與TiC之間的潤濕性，加入VC提高金屬陶瓷的力學性能。
[0016]4.本發明中原位碳熱還原和燒結在放電等離子燒結系統上進行，具有工藝流程較短、升溫速率很快、燒結溫度較低、燒結時間很短、熱壓燒結、粉體生成與燒結一體化等諸多優勢。
[0017]
【具體實施方式】
[0018]下面以FeT13質量分數大于97%的鈦精礦為主要原料，結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0019]實施例1
一種新型TiC - 30Fe金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件:
(I)準備原料及稱量配料
根據所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質量配比為FeT13: T12: C= 1.7:1:1，將鈦精礦、T1jP碳黑按照該配比稱量配料。
[0020]( 2 )球磨混合細化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比15:1放入硬質合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨25h，獲得均勻混合的納米晶原料細粉。
[0021](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結系統加熱腔內，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統壓力5MPa，升溫速率250°C /min，反應溫度1350°C，保溫時間12min ;第二步:燒結真空度〈IPa，系統壓力60MPa，升溫速率150°C /min，燒結溫度1420°C，保溫時間3min。
[0022]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 30Fe金屬陶瓷，其相對密度大于95%，宏觀硬度為88HRA，抗彎強度為1127MPa。
[0023]實施例2
一種新型TiC - 30Fe -1OMo2C金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件:
(I)準備原料及稱量配料
根據所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質量配比為FeT13: T12: C:Mo2C=8.1:3.7: 4.3:1，將鈦精礦、T12、碳黑和Mo2C按照該配比稱量配料。
[0024]( 2 )球磨混合細化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比15:1放入硬質合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨25h，獲得均勻混合的納米晶原料細粉。
[0025](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結系統加熱腔內，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統壓力5MPa，升溫速率250°C /min，反應溫度1350°C，保溫時間12min ;第二步:燒結真空度〈IPa，系統壓力60MPa，升溫速率150°C /min，燒結溫度1420°C，保溫時間3min。
[0026]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 30Fe -1OMo2C金屬陶瓷，相對密度大于97%，宏觀硬度為90HRA，抗彎強度為1286MPa。
[0027]實施例3
一種新型TiC - 25Fe -1OMo2C金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件:
(I)準備原料及稱量配料
根據所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質量配比為FeT13: T12: C:Mo2C=6.8:5.1: 4.4:1，將鈦精礦、T12、碳黑和Mo2C按照該配比稱量配料。
[0028]( 2 )球磨混合細化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比25:1放入硬質合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨20h，獲得均勻混合的納米晶原料細粉。
[0029](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結系統加熱腔內，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統壓力3MPa，升溫速率300°C /min，反應溫度1300°C，保溫時間16min ;第二步:燒結真空度〈IPa，系統壓力70MPa，升溫速率100°C /min，燒結溫度1410°C，保溫時間5min。
[0030]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 25Fe -1OMo2C金屬陶瓷，相對密度大于98%，宏觀硬度為91HRA，抗彎強度為1345MPa。
[0031]實施例4
一種新型TiC - 30Fe -1OMo2C - 5VC金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件: (I)準備原料及稱量配料
根據所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質量配比為FeT13: T12: C:Mo2C:VC=16.3: 6.1: 7.9:2:1，將鈦精礦、T12、碳黑、Mo2C^P VC按照該配比稱量配料。
[0032]( 2 )球磨混合細化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比15:1放入硬質合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨25h，獲得均勻混合的納米晶原料細粉。
[0033](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結系統加熱腔內，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統壓力5MPa，升溫速率250°C /min，反應溫度1350°C，保溫時間12min ;第二步:燒結真空度〈IPa，系統壓力60MPa，升溫速率150°C /min，燒結溫度1420°C，保溫時間3min。
[0034]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 30Fe -1OMo2C - 5VC金屬陶瓷，相對密度大于99%，宏觀硬度為92HRA，抗彎強度為1482MPa。
[0035]實施例5
一種新型TiC - 25Fe -1OMo2C - 5VC金屬陶瓷，制備方法包括以下步驟及工藝條件:
(I)準備原料及稱量配料
根據所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分，確定原料質量配比為FeT13: T12: C:Mo2C:VC=13.6: 8.9: 8.3:2: 1，將鈦精礦、T12、碳黑、Mo2C和VC按照該配比稱量配料。
[0036]( 2 )球磨混合細化原料
將上述配好原料放入不銹鋼球磨罐中，并按球料比25:1放入硬質合金磨球，在高能振動球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨20h，獲得均勻混合的納米晶原料細粉。
[0037](3)快速制備金屬陶瓷
將上述25g均勻混合原料細粉裝入Φ20石墨模具后，置于放電等離子燒結系統加熱腔內，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結，工藝條件如下:第一步:初始真空度〈IPa，系統壓力3MPa，升溫速率300°C /min，反應溫度1300°C，保溫時間16min ;第二步:燒結真空度〈IPa，系統壓力70MPa，升溫速率100°C /min，燒結溫度1410°C，保溫時間5min。
[0038]通過以上制備方法，獲得組織均勻的新型TiC - 25Fe -1OMo2C - 5VC金屬陶瓷，相對密度大于99%，宏觀硬度為93HRA，抗彎強度為1525MPa。
【主權項】
1.一種新型碳化鈦金屬陶瓷，其特征在于，材料的成分質量百分比為=TiC 55 - 70%，Fe 25 - 35%，Mo2C O - 15%，VC O - 5%，材料中的TiC和Fe由鈦精礦原位碳熱還原反應獲得，TiC不足時由T12碳熱還原反應產物補充。2.一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，工藝步驟如下: (1)準備原料及稱量配料 根據所制備碳化鈦金屬陶瓷的成分確定原料質量配比，將鈦精礦粉體、碳源粉體和添加劑粉體按照確定配比稱量配料； (2)球磨混合細化原料 將上述配好原料和硬質合金磨球放入球磨罐中，在高能球磨機上Ar氣保護氣氛下對原料進行機械球磨，直至獲得均勻混合的納米晶原料細粉； (3)快速制備金屬陶瓷 將上述均勻混合原料細粉裝入石墨模具后，置于放電等離子燒結系統加熱腔內，進行放電等離子原位碳熱還原和燒結，制得碳化鈦金屬陶瓷。3.根據權利要求2所述的一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，所述高能球磨的球料比為10:1 - 30:1，球磨時間為10 -40ho4.根據權利要求2所述的一種新型碳化鈦金屬陶瓷的制備方法，其特征在于，所述放電等離子快速制備金屬陶瓷分兩步完成，第一步為原位碳熱還原，第二步為金屬陶瓷的燒結，工藝條件分別如下: 第一步:初始真空度〈IPa，系統壓力1-5MPa，升溫速率200 - 300°C /min，反應溫度1250 - 1400°C，保溫時間 10 - 20min ； 第二步:燒結真空度〈IPa，系統壓力50 - 80MPa，升溫速率100 - 200°C /min，燒結溫度1400 - 1450°C，保溫時間 3 - 5min。
【文檔編號】C22C1/04GK105986139SQ201510094171
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年3月4日
【發明人】向道平, 王鈺午
【申請人】海南大學