CN107098703A - 一种TiB2‑TiC陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种TiB2‑TiC陶瓷复合材料及其制备方法，按以下步骤进行：第一步，将TiO2粉为66.6％～68.1％，B4C粉为14％～16.5％，C粉为17％～17.9％按质量百分比混合；第二步，将所述混合粉进行研磨，得到研磨后粉体；第三步，将所述研磨后粉体装入坩埚中，进行还原处理，得到TiB2‑TiC复合粉体；第四步，将所述复合粉体进行烧结，得到烧结体；第五步，将所述烧结体脱模，得到的一种TiB2‑TiC陶瓷复合材料。TiB2‑TiC陶瓷复合材料制备过程合成的温度低，能耗小，工序得到极大简化且制备得到的陶瓷复合材料致密度高，TiB2和TiC两相分布均匀，结构紧凑，晶粒尺寸细小。

Description

一种TiB2-TiC陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷复合材料技术领域，具体涉及一种TiB2-TiC陶瓷复合材料 及其制备方法。
背景技术
在金属的切削过程中，提高切削速率可极大地提高加工效率，高速切削加 工已成为机械制造业的重要发展方向。在高切削速度和断续切削条件下，刀具 对高温和氧化的耐受能力不足，限制了切削速率的进一步提高。现有用于刀具 材料的TiC基和Ti(C,N)基金属陶瓷通常通过添加WC、NbC、Mo2C、TaC等第二 类碳化物改善润湿性，其断裂韧性有所提高，中国专利CN101500963A报道了一 种(Ti,W)C-WC-Ni金属陶瓷，其断裂韧性为12.2MPa·m1 /2，但是由于金属粘接相 的存在，其硬度较低，仅为14.3GPa。而且金属粘接相会降低其热稳定性和红硬 性。
在非氧化物复合材料的传统制备工艺中，都是先分别通过硼热反应和碳热 反应单独制备TiB2和TiC粉末，然后通过机械混合的方式将两者混合后烧结。 单独的硼热还原和碳热还原所需温度高，时间长，能耗大。例如中国专利 CN105533A报道了在1400～1700℃下，以活性炭、五硼酸铵以及TiO2还原制备 TiB2的方法，产品粒度10μm左右，较为粗大，并且合成温度高，周期长。以传 统的碳热还原制备TiC，需以碳和TiO2为原料，在碳管炉中以2200℃以上的高 温进行碳化。而且在后续的混合过程中，存在TiB2和TiC粉末均匀性欠佳，最 终影响复合材料性能欠佳的情况。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种TiB2-TiC陶 瓷复合材料制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
第一步，将TiO2粉为66.6％～68.1％，B4C粉为14％～16.5％，C粉为17％～17.9％按质量百分比混合；
第二步，将所述混合粉进行研磨，得到研磨后粉体；
第三步，将所述研磨后粉体装入坩埚中，进行还原处理，得到TiB2-TiC复 合粉体；
第四步，将所述复合粉体进行烧结，得到烧结体；
第五步，将所述烧结体脱模，得到一种TiB2-TiC复合材料。
较佳的，所述研磨机为行星式球磨机，介质为碳化钨的球磨罐和直径为5mm 的研磨球。
较佳的，所述还原处理是在真空碳管炉中进行碳热\硼热处理，温度1100～ 1300℃，保温时间1～2h，真空度<10Pa。
较佳的，所述真空碳管炉保温结束后，直接将炉温升至1300～2000℃进行 烧结，烧结保温时间为30～120min，真空度<10Pa。
较佳的，用热压烧结、无压烧结、热等静压烧结替代所述真空碳管炉直接 烧结。
较佳的，所述烧结为热压烧结，其烧结温度为1600～2000℃，用单向/双向 加压的方式加压，施加的压力为10～50MPa，烧结保温时间为30～120min，真 空度<10Pa。
较佳的，所述烧结为无压烧结，经过50～200MPa冷等静压成型后，进行烧 结，烧结温度为1600～2000℃，烧结保温时间为30～120min，真空度<10Pa。
较佳的，所述烧结为热等静压烧结，烧结温度为1300～1700℃，施加的压 力为50～200MPa，烧结保温时间为30～120min，真空度<10Pa。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，合成温度低，能耗小，粉体成 分可控性好，粉体粒度小，其平均粒径不大于500nm，相比单独制备后再次机械 混合，TiB2和TiC两相分布均匀，杂质少，并且工序得到极大简化。2，采用该 复合粉体烧结出的TiB2-TiC复合材料，致密度高，TiB2和TiC两相分布均匀， 结构紧凑，晶粒尺寸细小。3，观察复合材料的微观组织，TiB2和TiC晶粒发育 完全，TiC晶粒则均为等轴状，TiB2晶粒呈现明显的长棒状特征，长径比约为(4～ 6):1，位错密度适中，有利于韧性的提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明的TiB2-TiC复合粉体的RD图谱；
图2是本发明的TiB2-TiC复合材料的抛光表面扫描电镜照片；
图3是本发明的TiB2-TiC复合材料裂纹扩展路径的扫描照片；
图4是本发明的TiB2-TiC复合材料相态图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为36.4％。将TiO2粉，B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均粒径20μm，B4C粉纯度为99％， 平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％；各原料组分质量百分比(wt.％) 如表1所示：
表1
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1100℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为36.4％。将制备的复合粉体取出，在真空热压烧结炉中以1800℃热压烧 结，真空度<10Pa，单向加压10MPa，保温时间30min，将烧结体脱模后，得到 TiB2-TiC复合材料。
复合材料的致密度为95.7％，室温下的三点弯曲强度为510～515MPa，弹性 模量为520～530MPa，维氏硬度为18.0～18.7GPa，断裂韧性为9.1～9.5MPa·m1/2。
实施例2
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为36.4％。按照表1所示质量百分比，将TiO2粉，B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均 粒径20μm，B4C粉纯度为99％，平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％。
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1100℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为36.4％。将制备的复合粉体取出，在真空热压烧结炉中以2000℃热压烧 结，真空度<10Pa，单向加压50MPa，保温时间60min，将烧结体脱模后，得到 TiB2-TiC复合材料。
复合材料的致密度为98.3％，室温下的三点弯曲强度为569～573MPa，弹性 模量为536～544MPa，维氏硬度为19.0～19.5GPa，断裂韧性为9.6～10.1MPa·m1/2。
实施例3
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为40.0％。将TiO2粉， B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均粒径20μm，B4C粉纯度为99％， 平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％；各原料组分质量百分比(wt.％) 如表2所示：
表2
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1200℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为40.0％。将制备的复合粉体取出，在真空热压烧结炉中以2000℃热压烧 结，真空度<10Pa，单向加压50MPa，保温时间60min，将烧结体脱模后，得到 TiB2-TiC复合材料。
复合材料的致密度为99.3％，室温下的三点弯曲强度为583～589MPa，弹性 模量为550～557MPa，维氏硬度为19.6～21.1GPa，断裂韧性为9.8～10.2MPa·m1/2。
实施例4
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为40.0％。按照表2所示质量百分比，将TiO2粉，B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均 粒径20μm，B4C粉纯度为99％，平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％。
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1300℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为40.0％。将制备的复合粉体取出，以150MPa冷等静压后，在真空热压烧 结炉中以1800℃无压烧结，真空度<10Pa，保温时间60min，得到TiB2-TiC复合 材料。
复合材料的致密度为97.3％，室温下的三点弯曲强度为555～572MPa，弹性 模量为530～542MPa，维氏硬度为18.6～19.6GPa，断裂韧性为9.3～9.8MPa·m1/2。
实施例5
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为40.0％。按照表2所示质量百分比，将TiO2粉，B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均 粒径20μm，B4C粉纯度为99％，平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％。
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1300℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为40.0％。将制备的复合粉体取出，在热等静压烧结炉中以1600℃烧结， 压力150MPa，真空度<10Pa，保温时间30min，得到TiB2-TiC复合材料。
复合材料的致密度为99.6％，室温下的三点弯曲强度为572～580MPa，弹性 模量为541～551MPa，维氏硬度为19.5～20.2GPa，断裂韧性为10.1～ 10.8MPa·m1/2。
实施例6
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为40.0％。按照表2所示质量百分比，将TiO2粉，B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均 粒径20μm，B4C粉纯度为99％，平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％。
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1300℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为40.0％。将制备的复合粉体取出，在真空热压烧结炉中以2000℃热压烧 结，真空度<10Pa，单向加压50MPa，保温时间60min，将烧结体脱模后，得到 TiB2-TiC复合材料。
复合材料的致密度为99.8％，室温下的三点弯曲强度为589～598MPa，弹性 模量为558～577MPa，维氏硬度为20.1～21.2GPa，断裂韧性为10.8～ 11.6MPa·m1/2。
实施例7
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为40.0％。按照表2所示质量百分比，将TiO2粉，B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均 粒径20μm，B4C粉纯度为99％，平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％。
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1300℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为40.0％。将制备的复合粉体取出，在热等静压烧结炉中以1300℃烧结， 压力200MPa，真空度<10Pa，保温时间60min，得到TiB2-TiC复合材料。
复合材料的致密度为97.8％，室温下的三点弯曲强度为546～565MPa，弹性 模量为511～522MPa，维氏硬度为16.8～17.7GPa，断裂韧性为9.1～9.4MPa·m1/2。
实施例8
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为46.2％。将TiO2粉， B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均粒径20μm，B4C粉纯度为99％， 平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％；各原料组分质量百分比(wt.％) 如表3所示：
表3
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1200℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为46.2％。将制备的复合粉体取出，以150MPa冷等静压后，在真空热压烧 结炉中以1800℃无压烧结，真空度<10Pa，保温时间60min，得到TiB2-TiC复合 材料。
复合材料的致密度为97.8％，室温下的三点弯曲强度为534～548MPa，弹性 模量为528～539MPa，维氏硬度为18.1～18.6GPa，断裂韧性为8.7～9.5MPa·m1/2。
实施例9
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为46.2％。按照表3所示质量百分比，将TiO2粉，B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均 粒径20μm，B4C粉纯度为99％，平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％。
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1200℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为46.2％。将制备的复合粉体取出，以100MPa冷等静压后，在真空热压烧 结炉中以2000℃无压烧结，真空度<10Pa，保温时间30min，得到TiB2-TiC复合 材料。
复合材料的致密度为98.8％，室温下的三点弯曲强度为560～572MPa，弹性 模量为530～544MPa，维氏硬度为18.7～19.3GPa，断裂韧性为9.2～9.7MPa·m1/2。
实施例10
预先设定TiB2-TiC复合粉体中TiC所占的质量百分比为46.2％。按照表3所示质量百分比，将TiO2粉，B4C粉，C粉混合，其中TiO2粉纯度为99％，平均 粒径20μm，B4C粉纯度为99％，平均粒径20μm，C粉为无定型碳，纯度为99％。
将混合粉体放入行星式球磨机，利用碳化钨球磨罐和直径为5mm研磨球进 行球磨。将球磨后粉体装入石墨坩埚中，在真空碳管炉中进行碳热\硼热还原处 理，温度为1200℃，保温1h，得到TiB2-TiC复合粉体，其中TiC所占的质量百 分比为46.2％。将制备的复合粉体取出，在热等静压烧结炉中以1300℃烧结， 压力200MPa，真空度<10Pa，保温时间60min，得到TiB2-TiC复合材料。
复合材料的致密度为98.8％，室温下的三点弯曲强度为545～558MPa，弹性 模量为516～528MPa，维氏硬度为16.5～17.2GPa，断裂韧性为8.8～9.2MPa·m1/2。
复合材料中TiB2和TiC两相的含量。在TiB2-TiC相图中，如图4所示，TiC 所占的质量百分比为40％时，为两相的共晶成分点。在本发明中，通过原料的添 加量，严格控制了复合材料中TiB2和TiC两相的含量，其中TiC所占的质量百 分比为36.4％～46.2％，可以认为本发明需要保护的是一种TiB2-TiC共晶成分陶 瓷复合材料。而不在该范围(36.4％～46.2％)中TiC含量，无法制备出与本发 明中材料相同的微观组织，因此也难以达到本发明中描述的材料性能。
烧结过程中真空度的控制。在实践过程中发现，烧结过程中的真空度，对 TiB2-TiC陶瓷复合材料的微观组织有一定的影响，当材料在惰性气体或真空 度>10Pa烧结时，微观组织并不能达到本发明中描述的微观组织，而且性能也弱 与本发明中的材料。因此，烧结过程中真空度的控制是达到本发明中复合材料 的必要条件之一，所以，需要严格控制烧结过程中真空度<10Pa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非 限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可 对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种TiB2-TiC陶瓷复合材料制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
第一步，将TiO2粉为66.6％～68.1％，B4C粉为14％～16.5％，C粉为17％～17.9％按质量百分比混合；
第二步，将所述混合粉进行研磨，得到研磨后粉体；
第三步，将所述研磨后粉体装入坩埚中，进行还原处理，得到TiB2-TiC复合粉体；
第四步，将所述复合粉体进行烧结，得到烧结体；
第五步，将所述烧结体脱模，得到的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料。
2.如权利要求1所述的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述研磨机为行星式球磨机，介质为碳化钨的球磨罐和直径为5mm的研磨球。
3.如权利要求2所述的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述还原处理是在真空碳管炉中进行碳热\硼热处理，温度1100～1300℃，保温时间1～2h，真空度<10Pa。
4.如权利要求3所述的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述真空碳管炉保温结束后，直接将炉温升至1300～2000℃进行烧结，烧结保温时间为30～120min，真空度<10Pa。
5.如权利要求4所述的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，用热压烧结、无压烧结、热等静压烧结替代所述真空碳管炉直接烧结。
6.如权利要求5所述的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述热压烧结，其烧结温度为1600～2000℃，用单向/双向加压的方式加压，施加的压力为10～50MPa，烧结保温时间为30～120min，真空度<10Pa。
7.如权利要求5所述的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述无压烧结，经过50～200MPa冷等静压成型后，进行烧结，烧结温度为1600～2000℃，烧结保温时间为30～120min，真空度<10Pa。
8.如权利要求5所述的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述烧结为热等静压烧结，烧结温度为1300～1700℃，施加的压力为50～200MPa，烧结保温时间为30～120min，真空度<10Pa。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料的制备方法制备得到的一种TiB2-TiC陶瓷复合材料。
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