[发明专利]高TiC含量铁基金属陶瓷材料的燃烧合成制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁基金属陶瓷材料的制备方法，特别是涉及一种高TiC含量的铁基金属陶瓷材料制备方法。

技术背景

由于钨和钴资源的限制，许多西方国家重点发展以TiC陶瓷为增强相，镍和镍合金为粘结相的无钨钴硬质合金，并得到了批量生产。95％的贫钨国家都逐渐使用TiC－Ni系金属陶瓷来替代钨钴硬质合金。用资源更为丰富，价格更低廉的铁和铁合金作为粘合相的金属陶瓷则是未来研究的发展方向。这对于象我国这样镍资源并不丰富的国家，开发铁基金属陶瓷的意义就更大。用铁基粘合相代替镍基粘合相， 大大降低了铁基金属陶瓷的制备成本。其制备成本只有镍基金属陶瓷的一半。为金属陶瓷的大规模商业推广奠定了坚实的基础。由于铁的化学活性较钴和镍高，更易于氧化，其与TiC的润湿性也较镍和钴差，加上液相烧结温度较镍基金属陶瓷要高不少，目前国内外发展的铁基金属陶瓷的性能尚不理想，特别是关键指标孔隙度过大，严重制约了其在航天、航海、军工等行业特殊工况下的应用。在低TiC含量（40wt％以下）的铁基金属陶瓷， 由于这类铁基金属陶瓷可以通过高温锻造工艺来消除烧结后的基体组织中存在着一定数量的孔洞，然后通过热处理工艺来获得高硬度。但是这类铁基金属陶瓷虽然室温具有很高的硬度，但是高温强度和硬度却显得不足，这就难以发挥出金属陶瓷的优势。这类铁基金属陶瓷我国有GT35和R5（TiC陶瓷含量分别为35wt％和40wt%））两种牌号， 其在退火态的硬度分别只有HRC46和HRC48，难以满足高温（如高速切削）需求。对于TiC含量超过45wt％以上的铁基金属陶瓷， 由于烧结孔隙率难以降低，材料性能难以满足应用需求， 至今国内外尚未有得到实际应用的报到。

发明内容

本发明的目的是提供一种高TiC含量的铁基金属陶瓷材料的燃烧合成制备方法。经过大量的试验和优化，得到了铁基粘结相的最佳成份，使得铁基粘结相在高温燃烧合成时，能够与TiC陶瓷相充分润湿，即使在高TiC陶瓷含量的情况下，也能获得接近完全致密的铁基金属陶瓷。

本发明高TiC含量铁基碳化钛金属陶瓷的燃烧合成制备方法是这样的（大于45wt％的TiC含量）。铁基金属陶瓷的成份配方为：TiC为45wt％－80wt％，铁基粘结相的含量在20wt％－55wt％；其中铁基粘结相的最佳成份为：Fe为65 wt％－80wt％，Mo为1 wt％－5wt％，Ni为2 wt％－10wt％，Mn为0wt％－10wt％，Cr为10 wt％－22wt％，Ti为0 wt％－2.5wt％，Si为0 wt％－2.5wt％。将以上配好的粉末混合均匀后，压制成10 x 10 x 2厘米的毛坯；然后将毛坯放入模具中，抽真空；然后通电引燃， 100秒后，加压致密化，就可获得完全致密的铁基金属陶瓷。

为了减少了铁粉在铁基金属陶瓷烧结过程中的氧化，提高制备出铁基金属陶瓷的性能，铁基粘结相中的铁也可以用不锈钢粉替代加入。 

上述铁基金属陶瓷的成份配方中， TiC的部分可用TiN代替，TiN的代替量不超过TiC的 5wt％。

由于本发明可以大大改善铁基粘结相与碳化钛陶瓷相之间的润湿性，使得铁基粘结相与碳化钛陶瓷在高温燃烧合成时能够充分润湿，从而可以获得完全致密的铁基金属陶瓷。制备的金属陶瓷中的TiC含量高，其硬度硬，耐磨性和高速切削性能好，而且其比重低，适宜在高速切削刀具,高温高速轴承和齿轮，坦克装甲，航空航天部件，及其它高温耐磨零件上应用。

具体实施方式

实施例一：铁基金属陶瓷的配方：Ti粉为40wt％，炭黑为wt11％，Fe粉为39wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为5wt％，Si粉为1wt％，以上金属粉的粒度均为200目。配好的粉末在混合均匀后，首先被压制的10 x 10 x 2厘米的毛坯；然后将毛坯放入模具中；然后，抽真空；然后通电引燃， 100秒后，加压致密化，就可获得完全致密的铁基金属陶瓷。金属陶瓷硬的度达HRC67，三点弯曲强度约900MPa，弹性模量为250GPa，密度约为5.67g/cm³， 断裂韧性为7.5MPa.m^-1/2左右。此例中铁基粘结相的成份是：Fe含量约78wt％，Mo含量为2wt％，Ni含量为8.9wt％，Cr含量为10wt％，Si含量为2wt％。TiC陶瓷相为50wt％。