SiC晶须增强增韧的Mo2FeB2基金属陶瓷及其制备方法

摘要

一种SiC晶须增强增韧的Mo2FeB2基金属陶瓷及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。该金属陶瓷成分质量份数为：Fe为30～36，SiC晶须为0.3～1.2，Mo为45～52，B为5.3～6.5，C为0.4～1.0，Ni为2.5～4.5，Cr为2.0～4.0，Mn为2.0～10.0。制备方法特点在于：先采用等离子体对SiC晶须进行表面改性处理，然后进行超声分散，将其作为添加剂，加入到混合料中，配制符合成分要求的混合料，依次经混料、成型、脱脂、真空烧结得到金属陶瓷烧结体。所述材料具有高硬度，高抗弯强度，高断裂韧性等优点。

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料及其制备方法，涉及碳化硅晶须增强增韧的Mo₂FeB₂基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

金属硼化物具有高硬度、高熔点、较高的导热率和高温稳定性，因而其与金属复合的烧结材料(硼化物基金属陶瓷)作为工模具材料和耐磨、耐腐蚀以及高温材料有着巨大的潜力和广阔的应用前景。与WC-Co硬质合金相比，具有下列优点：(1)作为工模具，在工作过程中，其自身磨损量以及被加工材料的磨损量都比较小；(2)耐高温及耐腐蚀性能更优异；(3)作为钢基体的涂层时，与基体之间的结合强度较高；(4)密度仅为硬质合金的五分之三；(5)具有良好的导电率，适合加工成复杂形状；(6)不含Co这种战略性物质，也不含WC这种较贵的化合物，所用原材料均为常用的、较易获得的元素，其制造成本比硬质合金要便宜许多。目前研究得较多的是以TiB₂、ZrB₂等二元硼化物为基的金属陶瓷。该类金属陶瓷在烧结时，粘结金属对硼化物颗粒的润湿性不佳，烧结性较差，很难得到致密的烧结体，并且在烧结时硼化物相还会与粘结金属发生反应生成脆性相。另外，由于采用的都是高纯的原材料，因而制造成本较高。上述原因使得高密度高强度硼化物基金属陶瓷的研制开发非常困难，为此，人们试验了多种烧结助剂，使该材料的综合性能得到了一定程度的提高，但其综合力学性能仍然较低。采用活化烧结法，使二元硼化物与金属反应生成三元硼化物，能够获得硼化物晶粒细小并分布均匀的三元硼化物基金属陶瓷，有望解决上述问题。近年来，日本、欧美等国家对三元硼化物基金属陶瓷的研究越来越多，已在耐磨、耐腐蚀等领域得到应用。目前，主要开展了Mo₂NiB₂、Mo₂FeB₂、WCoB基金属陶瓷等几个体系的研究，其中对Mo₂FeB₂基金属陶瓷研究得最多。为进一步提高材料的性能，目前常用的方法是优化材料的成分、改进烧结工艺、细化晶粒。表1为日本所研制的具有代表性的Mo₂FeB₂基金属陶瓷的性能(Takagi K.Development andapplication of high strength ternary boride base cermets.J Solid State Chem 2006；179：2809-18.)。目前已研制出的Mo₂FeB₂基金属陶瓷在使用过程中反映出的问题是硬度普遍偏低，或者说，如果要使材料保持较高的硬度，无法使其同时具有较高的强度和韧性。

表1日本研制的Mo₂FeB₂基金属陶瓷的物理性能

国内学者主要是在国外的研究基础上，利用Mo₂FeB₂基金属陶瓷与钢良好的结合性能，在钢基体上制备Mo₂FeB₂基金属陶瓷覆层。但是，对于Mo₂FeB₂基金属陶瓷的合金化及制备技术本身研究得很少，与国外的差距较大，所制备的材料强韧性明显偏低。

鉴于上述情况，有必要对Mo₂FeB₂基金属陶瓷材料进行进一步的研究和开发，使其在具有很高的硬度、耐磨性、红硬性、耐腐蚀性能等优良性能的同时，也具有很高的强度和韧性。只有这样，才有可能使此种材料在国内工模具市场上得到运用，并将其应用到高温、腐蚀、磨损等苛刻的服役条件之下，代替目前大量使用的WC-Co硬质合金，广泛应用于机械、冶金、汽车、石化、矿山等行业。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的现状，提供一种成本低廉，不但具有很高的硬度，而且也具有较高的强度和韧性的碳化硅晶须增强增韧的Mo₂FeB₂基金属陶瓷及其制备方法。

实现本发明的这种SiC晶须增强增韧的Mo₂FeB₂基金属陶瓷，其特征在于：其成份质量份数为：Fe为30～36，SiC晶须为0.3～1.2，Mo为45～52，B为5.3～6.5，C为0.4～1.0，Ni为2.5～4.5，Cr为2.0～4.0，Mn为2.0～10.0。

本发明如前所述SiC晶须增强增韧的Mo₂FeB₂基金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)采用等离子体对SiC晶须进行表面改性处理，在辉光放电等离子炉中进行，辉光放电等离子处理过程中，所用氩气纯度≥99.0％，充入炉腔内氩气压力为20-100Pa，工作电压为500-700V，工作电流为0.1-0.3A，处理时间为90-180min；

(2)配制符合下述要求的混合料，其成份质量份数为：Fe为30～36，SiC晶须为0.3～1.2，Mo为45～52，B为5.3～6.5，C为0.4～1.0，Ni为2.5～4.5，Cr为2.0～4.0，Mn为2.0～10.0；

(3)混料，混料工序在行星式球磨机中进行；

(4)加入成型剂，所加入的成型剂为聚乙烯醇，加入比例为混合料的3mass％-8mass％；

(5)压制成型，所用压制压力为120-250MPa；

(6)脱脂，在真空度高于10Pa的真空炉中进行，在200-400℃之间的升温速度为0.3-0.5℃/min；

(7)真空烧结，在真空烧结炉中进行，真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1160-1250℃，保温时间为20-60min。

为实现本目的，在组成成份中加入少量的SiC晶须和一定量的Mn。制备方法特点在于：先采用等离子体对SiC晶须进行表面改性处理，然后进行超声分散，将其作为添加剂，加入到混合料中，配制符合成分要求的混合料，依次经混料、成型、脱脂、真空烧结得到金属陶瓷烧结体。SiC晶须通过等离子体轰击后，其表面活性增强，且缠绕的晶须得以分散，经烧结后与金属陶瓷基体的界面结合得以提高，最终主要通过晶须的拔出桥联和裂纹转向机制使材料得以增强增韧；在该金属陶瓷中加入适量的Mn，降低了烧结时液相形成温度，提高了液相对固相的润湿性，从而提高了烧结体的致密度，同时部分Mn还会固溶于陶瓷相Mo₂FeB₂中，替代部分Fe原子，改变了该相的价电子结构，改进了该相的本征脆性，从而使金属陶瓷烧结体的强韧性得以进一步提高。

本发明的SiC晶须增强增韧的Mo₂FeB₂基金属陶瓷，其硬度HRA≥90.5，抗弯强度σ_b≥2100MPa，断裂韧性K_IC≥19MN·m^-3/2。该材料不但具有较高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、优良的化学稳定性、与铜、锌等有色金属及其合金之间极低的亲和力和摩擦系数等优点，而且其强韧性也很优良，可用于制作用于常规工程材料加工的工具，特别适合制作用于有色金属加工的工具。与硬质合金相比，当用于切削普通结构钢时，其可以允许进刀量提高1-3倍，切削速度提高1倍以上；在切削铜合金时，其耐用度均提高4倍以上；当用作模具热挤压铜合金型材时，使用寿命与现有硬质合金模具相比提高了5～20倍。该材料也适合于制作注射成型模、汽车气门热煅模、空气压缩机和氢气泵的自润滑气缸衬垫、海水泵轴承等。另外，本发明的SiC晶须增强增韧的Mo₂FeB₂基金属陶瓷与钢的结合强度比较高，该材料也可广泛地应用在耐磨件、耐高温件、耐腐蚀件等领域。

具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明的技术效果。以下实例所采用的原料为FeB、FeMo、Fe、Mn、Ni、Cr、石墨、SiC晶须。

表2是4种成分配方的混合料。采用不同的工艺参数将其制备成Mo₂FeB₂基金属陶瓷，并分别测定其硬度、抗弯强度和断裂韧性。

表2 4种混合料的成分配比

实施例1：

在辉光放电等离子炉中，采用等离子体对SiC晶须进行表面改性处理。充入炉腔内氩气压力为20Pa，工作电压为500V，工作电流为0.1A，处理时间为180min；

混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为160rpm，时间为24h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为3mass％，压制成型所用的压力为120MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200-400℃之间的升温速度为0.3℃/min；

真空烧结的真空度高于5.0×10^-2pa，烧结温度为1250℃，保温时间为20min。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表3。

表3采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例2：

在辉光放电等离子炉中，采用等离子体对SiC晶须进行表面改性处理。充入炉腔内氩气压力为50Pa，工作电压为600V，工作电流为0.2A，处理时间为120min；

混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180rpm，时间为20h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为5mass％，压制成型所用的压力为160MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200-400℃之间的升温速度为0.4℃/min；

真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1160℃，保温时间为60min。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表4。

表4采用工艺2制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例3：

在辉光放电等离子炉中，采用等离子体对SiC晶须进行表面改性处理。充入炉腔内氩气压力为80Pa，工作电压为700V，工作电流为0.3A，处理时间为90min；

混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为220rpm，时间为12h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为5mass％，压制成型所用的压力为200MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200-400℃之间的升温速度为0.5℃/min；

真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1190℃，保温时间为40min。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表5。

表5采用工艺3制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例4：

在辉光放电等离子炉中，采用等离子体对SiC晶须进行表面改性处理。充入炉腔内氩气压力为100Pa，工作电压为700V，工作电流为0.3A，处理时间为90min；

混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为200rpm，时间为12h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为8mass％，压制成型所用的压力为250MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200-400℃之间的升温速度为0.3℃/min；

真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1220℃，保温时间为30min。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表6。

表6采用工艺4制备出的不同金属陶瓷的性能

在本权力书取值范围内，当金属陶瓷基体中Mn的添加量增加时，所得金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性相对较高。制备工艺参数中，烧结温度对性能的影响相对较大，当烧结温度处于中间值，比如为1190℃时，上述各成分配方的金属陶瓷综合力学性能相对较高。总之，在权利要求书取值范围内，上述因素其对材料力学性能的影响有限。