CN1736946A - 一种铁、碳、钼、硼、二氧化锆金属陶瓷材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁、钼、碳、硼、二氧化锆系的金属陶瓷材料及其制备方法，属于金属复合材料技术领域。其中，配比为(重量百分比)：ZrO₂ 20～82％；Fe 9～40％；Mo 9～40％；C 0.3～1％；Al 0.2～3％；B 0.4～10％；其制备工艺为：将铁、钼、碳、硼、二氧化锆粉末，利用球磨机对配制好的粉料进行球磨，粉碎到粒径小于0.5μm；使用模具压坯、烧结成形；经过无氧化条件下的烧结，烧结体再经过加热和快冷的热处理获得。使用本发明制得的金属陶瓷主要用于腐蚀条件下的耐磨和抗冲击构件，特别适用于腐蚀环境下泥浆泵的壳体和叶轮、化工设备中高压管路的弯头、海洋机械的耐磨构件等。具有冲击韧度强、硬度高、耐磨性好等优点。

Description

一种铁、碳、钼、硼、二氧化锆金属陶瓷材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料领域，特别是涉及一种含铁、碳、钼、硼、氧化锆的金属陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

二氧化锆陶瓷有高的硬度和耐磨性，但是韧性较差，受冲击时易于破碎。采用增韧技术的二氧化锆，韧性得到了提高，但相对于金属材料，其韧性指标还相差甚远。美国专利20030167969公开了一种多元氧化物陶瓷与金属组合的金属陶瓷，既能有金属组分的良好韧性，又能有陶瓷材料的高硬度和高耐磨性。但多元氧化物各自对烧结温度要求不同，给烧结工艺带来困难。中国专利92114875.5公开了一种自蔓延烧结的金属陶瓷，但采用自蔓延烧结的工艺技术有待于改进提高。

发明内容

为了克服二氧化锆陶瓷冲击韧度低的缺点，铁与钼合金的硬度和耐磨性不够高的缺点，本发明提供一种冲击韧度强、硬度高和耐磨性好的铁、碳、钼、硼、氧化锆的金属陶瓷材料及其制备方法。

本发明所采用的技术方案是：将铁、碳、钼、硼合金所具有的特性与二氧化锆陶瓷的特性相结合，两者相互取长补短，可以获得冲击韧度较高、硬度较高、耐磨性较好的金属陶瓷。通过热处理改变固溶体的溶解度，提高合金物相的硬度和耐磨性。采用铁、碳、钼、硼、二氧化锆的粉末原料，按一定比例进行混合，通过对粉料的球磨、压坯和烧结成形，然后将烧结体进行热处理。具体制备工艺如下：

(1)配料与混合

将工业纯的铁、碳、钼、硼、二氧化锆粉末原料按一定比例混合，原料粉末的具体配比范围如下(重量百分比)：

                   ZrO₂    20～82％

                   Fe      9～40％

                   Mo      9～40％

                   C       0.3～1％

                   Al      0.2～3％

                   B       0.4～10％

配方中以ZrO₂ 35～50％；Fe 15～35％；Mo 13～33％；C0.4～0.8％；Al 0.3～1.8％；B3～7％范围时的力学性能最佳。

上述配方中的铝、硼为助烧剂并具有拟制晶粒长大等方面的作用；钼的加入可以明显改善材料冲击韧度；铁可以与添加的其它元素形成固溶体和合金化合物，有利于强度和冲击韧度指标的提高；二氧化锆能够提高材料的硬度和耐磨性。

(2)制粉

将混合后的粉料放入球磨机的磨罐中进行球磨。球磨时间依原始粉末的粒度不同而不同，一般在0.5～5小时。粉料的粒度小于0.5μm后即可使用。

(3)压坯

将磨好的粉料加入5％的动物骨胶作为临时成型剂，通过模压制成压坯。

(4)烧结成形

在无氧条件下把压坯加热到1500～2000℃范围进行烧结，烧结时的保温时间与压坯尺寸的大小有关，一般保温为0.5～5小时。烧结后随炉降温冷却。

(5)烧后热处理

烧结成形后需要对烧结体进行热处理改善力学性能。在无氧条件下将烧结体加热到800～1000℃，保温2～3小时，然后将烧结体放入冷却液中快速冷却，冷至室温即可。

本发明利用铁、碳、钼、硼元素在烧结中的相互反应，形成铁、碳、钼、硼的化合物和固溶体。可以获得高于一般金属材料的硬度，而脆性远低于陶瓷材料。利用金属固溶体的相变特点，可以通过热处理改善力学性能。将铁、碳、钼、硼的化合物与陶瓷组合，经过合理的热处理，可以获得冲击韧度高、硬度高和耐磨性好的金属陶瓷。本发明的突出效果是：铁、钼、碳、硼、二氧化锆金属陶瓷的硬度和耐磨性高于铁、钼系合金，冲击韧度高于二氧化锆陶瓷。通过热处理后，其中金属相中固溶体的硬度和耐磨性得到了提高。二氧化锆相的分布较为均匀，使材料具有高的抗磨损能力，铁和钼金属相的存在改善了材料的韧性。

本发明的金属陶瓷主要用于腐蚀条件下的耐磨和抗冲击构件，例如腐蚀环境下泥浆泵的壳体和叶轮、化工设备中高压管路的弯头、海洋机械的耐磨构件等。

四、具体实施方式

实施例1：

一种铁、碳、钼、硼、氧化锆的金属陶瓷材料及其制备方法如下：

对工业纯的铁、钼、碳、硼、二氧化锆粉末原料进行配比和混合，具体配比如下(重量百分比)：

                            ZrO₂    70％

                            Fe      13％

                            Mo      11％

                            C       0.4％

                            Al      0.6％

                            B    5％利用摆式球磨机对上述粉料进行球磨。粉料粒径小于0.5μm后，加入5％的动物骨胶作为临时成型剂，通过模压成为压坯。将压坯放入烧结炉中加热到1950℃，保温0.5小时，随炉冷至室温后出炉。再将烧结体加热到900℃，保温2.5小时，然后在冷却液中进行快速冷却。冷却到室温后即可。

实施例2

粉末原料同实施例1，进行配比和混合，具体配比如下(重量百分比)：

                           ZrO₂    20％

                           Fe      40％

                           Mo      30％

                           C       0.5％

                           Al      0.5％

                           B       9％

其余过程与实施例1相同，不同之处在于烧结温度为1550℃，保温4小时。

实施例3

粉末原料同上例实施例1，进行配比和混合，具体配比如下(重量百分比)：

                           ZrO₂    50％

                           Fe      24％

                           Mo      20％

                           C       0.7％

                           Al      0.3％

                           B       5％

其余过程与实施例1相同，不同之处在于烧结温度为1650℃，保温2小时。

Claims (2)

1.一种含铁、钼、碳、硼、二氧化锆的金属陶瓷材料及其制备工艺，其特征为该金属陶瓷的配比为(重量百分比)：ZrO₂ 20～82％；Fe 9～40％；Mo 9～40％；C 0.3～1％；Al 0.2～3％；B 0.4～10％。其制备工艺如下：

(1)配料与混合：采用工业纯的铁、钼、碳、硼、二氧化锆粉末原料，按配比进行混合；

(2)制粉：利用球磨机对配制好的粉料进行球磨，球磨0.5～5小时，球磨后的粉料粒度＜0.5μm；

(3)压坯：利用模具冷压成型；

(4)烧结成形：烧结温度为1500～2000℃，保温时间0.5～5小时；

(5)烧后热处理：加热到800～1000℃，保温2～3小时，保温后快速冷却。

2.如权利要求1所述，含铁、钼、碳、硼、二氧化锆的金属陶瓷材料，其特征在于该金属陶瓷材料的最佳配比范围：ZrO₂ 35～50％；Fe 15～35％；Mo 13～33％；C 0.4～0.8％；Al 0.3～1.8％；B 3～7％。