CN101871070A

CN101871070A - 一种金属陶瓷复合材料及其制备方法

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Publication number: CN101871070A
Application number: CN 201010192353
Authority: CN
Inventors: 汤爱涛; 刘胜明; 潘复生; 王健; 刘传璞
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2030-06-04
Also published as: CN101871070B

Abstract

本发明涉及一种新型金属陶瓷复合材料及其制备方法。它是以Al₂O₃陶瓷为基体，Ti(C，N)陶瓷硬质颗粒和Fe金属作为弥散相的金属陶瓷复合材料。材料主体成分质量百分比含量为：Al₂O₃∶50～70％；Ti(C，N)∶20～30％；Fe∶5～20％；其余为不可避免的Mn、Si和Ca等杂质。选择我国储量丰富的攀枝花钛铁矿(FeTiO₃)作为原料，在碳热、铝热还原的基础上采用热压烧结工艺直接制备低成本Al₂O₃/Ti(C，N)/Fe金属陶瓷复合材料。本发明的复合材料相比同类金属陶瓷复合材料具有相当的良好的综合力学性能和优良的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化及抗热震等性能，制备工艺简单，成本低廉，且为我国富有资源充分有效利用开辟了新途径。

Description

一种金属陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属陶瓷复合材料，特别涉及一种高硬度、高耐磨性的金属陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

金属陶瓷复合材料根据陶瓷相的不同而分类。分为氧化物-金属复合材料，碳化物-金属复合材料，氮化物-金属复合材料，硼化物-金属复合材料，碳化硼-金属复合材料和硅化物-金属复合材料。其品种多样，结构各异，均以其不同的强度、硬度、耐磨及抗氧化性能，在电子器件、冶金、化工、航空航天等方面有着广泛的应用。

Ti(C，N)/Al₂O₃金属陶瓷不但具有较高的硬度、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，而且还有一定的韧性和强度。与通常的硬质合金相比，它在以下几个方面有明显的优势：有较高的切削速度；被加工工件有较好的表面性能；耐磨性能更高。但目前商业化生产此类材料的原料之一Ti(C，N)粉非常昂贵(70万元/吨)，阻碍其广泛应用。

而钛铁矿资源储量大，分布广，几乎遍及全世界。据美国矿产局1995年的《矿产品概要》统计资料，世界现已探明的钛铁矿资源储量为207亿吨，主要分布于加拿大，挪威，南非，澳大利亚，美国，印度，原苏联，斯里兰卡，巴西，芬兰等国，其中，南非的储量最大，占世界总储量的23.4％。我国的钛铁矿资源十分丰富，遍布20个省区，既有岩矿，也有砂矿，其中，岩矿占大部分。我国钛铁矿的总储量约为3000万吨，目前，我国钛铁矿的总产能为30万吨/年，按此计算，钛铁矿还可开采100年。目前，钛铁矿的主要利用途径有以下几个方面：(1)将钛铁精矿用电炉熔炼法生产酸溶性高钛渣，然后用于硫酸法钛白生产；(2)钛铁精矿经过富集处理加工成高钛渣(TiO₂90％以上)或人造金红石(TiO₂96％以上)之后，采用沸腾氯化或熔盐氯化法制取TiCl₄；(3)用于海绵钛的生产。上述钛铁矿的综合利用方法存在要么能耗过高，要么铁的综合利用程度低，要么废酸母液难处理等问题，影响了钛铁矿利用的效率和钛铁矿的产业化进程。为此，发展新的钛铁矿的利用途径是刻不容缓和很有必要的事情。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种成本低、应用范围广；并且提高钛铁矿利用效率的氧化铝基陶瓷复合材料。

本发明的另一目的是提供一种适于工业应用的工艺过程简单、易于操作，适合各种形状复杂制品生产的氧化铝基陶瓷复合材料制备方法。

本发明的目的是这样实现的：一种氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于，以Al₂O₃陶瓷为基体，Ti(C，N)陶瓷硬质颗粒和Fe金属作为弥散相的金属陶瓷复合材料；其中，材料主体成分质量百分比含量为：Al₂O₃∶50～70％；Ti(C，N)∶20～30％；Fe∶5～20％；不可避免的Mn、Si、Ca等杂质余量。

进一步，其主体原料为钛铁矿粉末、铝粉和石墨粉，并配比满足下式：

FeTiO₃+xAl+(4-3x/2)C+yFe+(x/2)N₂→Ti(C，N)+(x/2)Al₂O₃+(y+1)Fe+CO，其中，(0＜x＜2.7，0≤y≤2)；

本发明所述氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将原料钛铁矿粉末、铝粉和石墨粉与球磨介质、表面活性剂(粘结剂)混合球磨均匀、干燥；

第二步，将第一步处理后的混合粉末加入热压炉中，在氮气气氛下根据模具形状热压成形。

所述球磨的主要参数为：球料比24∶1～12∶1；球磨时间4～10h；转速300～500r/min；

热压工艺参数：烧结温度1200～1500℃；烧结时间：15min～2h；压力：10～50MPa。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1.主要原料采用我国富有资源且成本低廉，能充分有效利用资源的主体成分，且为我国富有资源充分有效利用开辟了新途径。

2.原位合成，界面结合强度高，性能优良。本发明的复合材料相比同类金属陶瓷复合材料具有相当的良好的综合力学性能和优良的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化及抗热震等性能。本发明的金属陶瓷复合材料维氏硬度值达17～19GPa，抗弯强度达320～370MPa。

3.工艺简单。本发明利用传统的热压烧结工艺，选择我国储量丰富的攀枝花钛铁矿(FeTiO₃)作为原料，添加铝粉和石墨粉，球磨混料后热压烧结即可直接制备出性能优良的Al₂O₃/Ti(C，N)/Fe金属陶瓷复合材料。所用制备方法的设备为常规通用设备，工艺过程简单，易于操作。

附图说明

图1是本发明的实施例1金属陶瓷复合材料的典型金像显微组织照片；

图2是本发明的金属陶瓷复合材料的典型扫描背散射电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种金属陶瓷复合材料的制备工艺，其具体步骤如下：

(1)在电子天平上按FeTiO3+2Al+C+0Fe的摩尔比例称取钛铁矿粉49.91克、铝粉17.72克、石墨3.94克。

(2)将混合粉倒入球磨罐中，球料比12∶1，球磨4小时；然后，将球磨后的粉料放入干燥器干燥。

(3)把混合料装入热压石墨模具，放入热压炉，抽真空后通氮气保护。

(4)在升温的过程中先预压粉料一次，然后等到达1400℃时加压21Mpa。

(5)在1400℃加压21MPa下保温30min，最后冷却得到金属陶瓷复合材料A。

(6)得到的复合材料A的力学性能如表1所示，化学成分分析如表2所示，其金属陶瓷复合材料的典型金像显微组织结构如图1、图2所示。

实施例2

一种金属陶瓷复合材料的制备方法，利用球磨技术和热压技术制备，其步骤如下：

(1)原材料为钛铁矿粉，铝粉，石墨和铁粉。在电子天平上按FeTiO3+2Al+C+1Fe的摩尔比例称取钛铁矿粉39.71克、铝粉14.11克、石墨3.13克、铁粉14.63克。

(2)将混合粉倒入球磨罐中，球料比12∶1，球磨4小时，然后将球磨后的粉料放入干燥器干燥。

(3)把混合料装入热压石墨模具，放入热压炉，抽真空后通氮气保护；

(4)在升温的过程中先预压粉料一次，然后等到达1200℃时加压21MPa；

(5)在1200℃加压21MPa下保温30min，最后冷却得到金属陶瓷复合材料B。

(6)得到的复合材料B的力学性能如表1所示，化学成分分析如表2所示。

表1金属陶瓷复合材料的力学性能

(维氏硬度值Hv20，抗弯强度σav，断裂韧性Kic)

材料	Hv20	σav(Mpa)	Kic(Mpa*M(1/2))
材料	Hv20	σav(Mpa)	Kic(Mpa*M(1/2))	A	1779	339	5.32
B	1826	260	5.57	A	1779	339	5.32

表2金属陶瓷复合材料的成分

材料	Al₂O₃	Ti(C，N)	Fe
材料	Al₂O₃	Ti(C，N)	Fe	A	60.05	28.59	10.80
B	62.35	25.77	11.17	A	60.05	28.59	10.80

本发明的金属陶瓷复合材料，属于Ti(C、N)是TiC和TiN形成的一种连续固溶体Ti(C_1-x，N_x)。Ti(C_1-x，N_x)的性能随x的改变而有所变化。TiC硬度较高，而TiN韧性较好，一般来说，随x值的增大材料的硬度降低，韧性提高。Ti(C，N)金属陶瓷不但具有较高的硬度、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，而且还有一定的韧性和强度。与通常的硬质合金相比，它在以下几个方面有明显的优势：有较高的切削速度；被加工工件有较好的表面性能；耐磨性能更高。Ti(C，N)金属陶瓷具有良好的使用性能，与WC基硬质合金相比，加工中显示出较高的红硬性、相近的强度、较低的腐蚀性、导热性和摩擦系数，具有较高的寿命或在寿命相同的情况下可采用较高的切削速度，被加工件有较好的表面光洁度。因此，Ti(C，N)金属陶瓷在许多加工场合下可成功地取代WC基硬质合金，填补了WC基硬质Ti(C，N)合金和陶瓷之间的空白。

碳氮化钛是一种性能优良，用途广泛的非氧化物陶瓷材料，兼具TiC和TiN的优点，具有高熔点，高硬度，耐磨，耐氧化，耐腐蚀等特性，并具有良好的导热性，导电性和化学稳定性，在机械，化工，汽车制造和航空航天等许多领域有广泛的应用。

本发明结合我国资源特点，选择我国储量丰富，包含有Fe和Ti两种主体元素的攀枝花产钛铁矿(FeTiO3)作为原料(～1000元/吨)，通过热压工艺制备一种新型的Al203/Ti(C，N)/Fe金属陶瓷。该复合材料由于原料成本低廉，充分利用了钛铁矿中两种主体元素，且工艺过程简单，性能优良具有重大的应用价值和广阔的市场前景。因此，本发明对于推动我国钛铁矿资源的有效利用，加速我国金属陶瓷和金属基复合材料的发展具有非常重要的意义。

Claims

1.一种氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于：Al₂O₃陶瓷为基体，Ti(C，N)陶瓷硬质颗粒和Fe金属作为弥散相的金属陶瓷复合材料；材料主体成分质量百分比含量为：Al₂O₃∶50～70％；Ti(C，N)∶20～30％；Fe∶5～20％；其余为不可避免的Mn、Si、Ca等杂质。

2.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于，其主体原料为钛铁矿粉末、铝粉和石墨粉，并配比满足下式：

FeTiO₃+xAl+(4-3x/2)C+yFe+(x/2)N₂→Ti(C，N)+(x/2)Al₂O₃+(y+1)Fe+CO，其中，(0＜x＜2.7，0≤y≤2)。

3.如权利要求1所述氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将原料钛铁矿粉末、铝粉、石墨粉与球磨介质混合球磨均匀，干燥；

4.如权利要求3所述氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的主要参数为：球料比24∶1～12∶1；球磨时间4～10h；转速300～500r/min；