專利名稱：一種用粉末原料制備金屬陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種用粉末原料制備金屬陶瓷的方法，更具體地，涉及一種利用燃燒合成技術(shù)將鈦粉與石墨粉制成多孔TiC預成形體，然后在離心力作用下將通過鋁熱劑燃燒合成得到的液態(tài)金屬滲入多孔TiC預成形體制成金屬陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
金屬陶瓷是將陶瓷相與金屬相復合在一起形成的一種復合材料。它兼有陶瓷相的高硬度，以及金屬相的高強度和韌性。
金屬陶瓷的制造，通常采用粉末冶金技術(shù)。即，首先分別獲得陶瓷粉和金屬粉，再將二者按比例混合，接著進行成形和燒結(jié)。對于某些材料體系，再經(jīng)適當?shù)臒崽幚砘蚱渌募庸さ玫阶罱K的制品。粉末冶金技術(shù)雖然在成分調(diào)節(jié)以及成形方面有明顯的優(yōu)勢，但燒結(jié)過程難以得到無孔隙的全致密材料，從而往往達不到預期的材料性能。而粉末冶金技術(shù)中有一項熔滲工藝，即通過一次燒結(jié)得到有孔隙的坯體，再通過二次燒結(jié)將一種金屬或合金熔化后滲入預燒結(jié)坯體的孔隙中獲得致密的制品。熔滲法也是制造金屬陶瓷的一種方法。例如，將TiC和少量的鎳粉經(jīng)冷壓成形后，再經(jīng)真空燒結(jié)得到預燒結(jié)的骨架。然后將預燒結(jié)的骨架置于模具中，使用Ni-Cr合金或Co-Cr-Mo合金，在其熔點以上的溫度下，借助毛細管力將熔化的合金滲入預燒結(jié)的骨架中。
燃燒合成技術(shù)(自蔓延高溫合成技術(shù))的出現(xiàn)，為金屬陶瓷的制造提供了一種新的方法。陶瓷相是原位反應合成的，并且利用反應放出的熱量能促進燒結(jié)致密化過程或者同時加壓實現(xiàn)致密化。中國專利92114875.5就披露了這樣一種方法，其中通過SHS合成-熱壓或SHS合成-粉碎-熱壓或SHS合成-粉碎-成型-燒結(jié)工藝，制備韌性好、強度高、組織均勻，而成本低的Al2O3-TiC基金屬陶瓷。但制品的形狀和尺寸受到熱壓工藝本身的限制。
在有些磨損的應用中，工件僅需要表面有一層耐磨層就能達到很好的效果。表面耐磨層可以通過滲碳、表面熱處理、堆焊、激光熔覆、離子注入等方法獲得。用燃燒合成法也可獲得表面耐磨層。中國專利95103970.9涉及一種耐磨陶瓷熔覆鋼板的制備方法，其特征在于在Al+CrO3+C的物料中同時添加一種鹵鹽添加劑和至少一種金屬氧化物添加劑，采用層疊配料方式和預熱加壓工藝，在無離心重力作用下進行鋁熱反應燒結(jié)，從而在鋼板或平面型鋼制工件表面形成2～3mm厚的碳化鉻金屬陶瓷熔覆層。但此方法中使用了5-15MPa的高壓容器，設備造價高，工件制造成本高。中國專利01133784.2提供一種具有原位內(nèi)生表面金屬陶瓷層的鑄件，其母體為鋼或鐵，其中所含的陶瓷顆粒的體積百分數(shù)＞40％，且厚度可在0.5～12毫米變化，其制備方法是將原位內(nèi)生組分和填料組分的相應粉料經(jīng)還原處理后制成壓坯，并經(jīng)預燒結(jié)脫膠處理后固定在鑄型表面，澆入高溫鋼水或鐵水，激發(fā)原位內(nèi)生反應，利用反應放出的熱量促進實現(xiàn)壓坯燒結(jié)致密化和與母體牢固的冶金結(jié)合。這種方法無法得到純粹的金屬陶瓷制品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用粉末原料制備金屬陶瓷的方法，提高了材料致密度，并降低了原材料成本。
本發(fā)明包括如下工藝步驟(1)將鈦粉與石墨粉按摩爾比1∶1混合后，通過燃燒合成制成多孔TiC預成形體；(2)在離心力作用下將通過燃燒合成得到的液態(tài)金屬滲入TiC預成形體中制成金屬陶瓷，其中產(chǎn)生的液態(tài)金屬的體積比TiC預成形體中的孔隙體積多3-5％。
(3)在Ti-C混合粉中另外加入鐵粉，加入量為0～50質(zhì)量％。
(4)將Fe2O3和Fe3O4中的至少一種粉末與鋁粉混合成的鋁熱劑置于離心機中的TiC預成形體上方，離心機旋轉(zhuǎn)后引燃鋁熱劑的燃燒反應，反應產(chǎn)生的熔融鐵滲入TiC預成形體中，從而制成金屬陶瓷，鋁熱劑中鋁粉與Fe2O3或Fe3O4粉的比例滿足下面的化學反應式
(5)在鋁熱劑粉中加入鐵粉，鐵粉加入量為鋁熱劑量的0～35質(zhì)量％。
當利用燃燒合成技術(shù)制備TiC預成形體時，在混合粉中加入鐵粉，加入量不大于50％。這有助于增加預成形體的強度，對預成形體進行適當?shù)募庸?。也可以充分利用TiC合成時放出的熱量，減小下一步驟中滲入的金屬量。
在滲入液態(tài)金屬的步驟中，將Fe2O3和Fe3O4中的至少一種粉末與鋁粉的混合得到的鋁熱劑置于離心機中的TiC預成形體上方，離心機旋轉(zhuǎn)后引燃鋁熱劑的燃燒反應，反應產(chǎn)生的熔融鐵滲入TiC預成形體中，從而制成金屬陶瓷，鋁熱劑中鋁粉與Fe2O3和Fe3O4粉的比例滿足下面的化學反應式，。通過燃燒合成得到的金屬液溫度高，粘度小，易于滲入。并且在離心力的作用下，強制金屬液進入TiC預成形體中。熔滲效果優(yōu)于常規(guī)的燒結(jié)熔滲法。
另外，在上述鋁熱劑中可以加入不大于35％的鐵粉。從而充分利用鋁熱劑反應放出的熱量，并且可以降低原料成本。
本發(fā)明的優(yōu)點在于工藝簡單，材料接近全致密。并且可以直接成形環(huán)形工件或其它工件。熔滲效果好、原料成本低。


為了更好地理解本發(fā)明，下面將結(jié)合如下附圖以及具體實施例詳細說明本發(fā)明。
圖1a為本發(fā)明在離心機型筒中合成TiC的第一步驟示意圖；圖1b為本發(fā)明在離心機型筒中在合成的TiC上加入鋁熱劑的第二步驟示意圖；圖1c為本發(fā)明最終合成結(jié)束的示意圖。圖中，型筒1，Ti+C混合粉2，點火鎢絲3，合成后TiC4，鋁熱劑粉末5，合成后的金屬陶瓷TiC-Fe6，鋁熱反應產(chǎn)物氧化鋁7。
圖2為本發(fā)明在徑向離心機中制備金屬陶瓷的第二步驟示意圖。
在燃燒合成(或自蔓延高溫合成)領(lǐng)域，Ti-C體系是研究較多的體系之一。Ti-C體系的燃燒合成屬于固相火焰燃燒合成，即燃燒合成前后及燃燒過程中，物料均保持固態(tài)。Ti-C體系的起始物料均為相應的粉末，混合均勻后松散態(tài)或制成坯體均易于點燃。燃燒合成后的物料狀態(tài)是多孔的，顆粒之間有輕微的燒結(jié)，很容易破碎成TiC粉末。本發(fā)明就是利用這種多孔的、顆粒之間輕微燒結(jié)的物料做為坯體，用于進一步制成金屬陶瓷。
另外，由于Ti-C體系燃燒時放出大量的熱量，可以在原料中混入不大于50％的鐵粉。鐵粉加入量過多，混合粉將不能發(fā)生燃燒合成。鐵粉在反應期間熔化，將TiC粘結(jié)在一起，可以適當提高反應后預成形體的強度，從而可以對預成形體進行加工，得到所需的形狀。也可以根據(jù)需要加入其它種類的粉末，得到不同成分的金屬粘結(jié)相。
雖然常規(guī)的熔滲工藝可以用于制造金屬陶瓷。但對于以鐵作為粘結(jié)相，需要1600℃以上的氣氛保護加熱爐或真空爐。這種設備造價高，而且熔滲時間也長。燃燒合成過程可以得到高溫熔體，特別是鋁熱劑體系，例如，燃燒合成的絕熱燃燒溫度高達3600K，燃燒后產(chǎn)物全部熔化。在離心力的作用下，由于產(chǎn)物的密度不同，鐵與氧化鋁產(chǎn)生相分離。密度大的鐵分離到距離旋轉(zhuǎn)中心較遠一側(cè)，而密度較小的氧化鋁處于離旋轉(zhuǎn)中心較近一側(cè)。這樣，將先前燃燒合成的TiC坯體上放置鋁熱劑，經(jīng)過上述鋁熱反應及物相分離過程后，熔化的金屬即滲入TiC坯體中，形成金屬為粘結(jié)相的金屬陶瓷?？紤]到金屬液的損失，所用的鋁熱劑量應使其反應產(chǎn)生的金屬量比TiC預成形體中的孔隙多3-5％。TiC預成形體的孔隙度可以事先利用排水法測量。
另外，也可以在混合料中加入鐵粉，這樣，可以充分利用鋁熱劑的反應放熱，并可降低制造成本。鐵粉的加入量不大于35％。加入量過多，金屬液的溫度低，粘度大，不利于滲入過程。
具體實施例方式
實施例1將鈦粉與石墨粉按摩爾比1∶1混合均勻，裝入離心機型筒(φ65×80mm)中65g，啟動離心機后，用鎢絲點燃鈦與碳的燃燒反應，如圖1a所示。冷卻到室溫后，裝入鋁粉與三氧化二鐵混合成的鋁熱劑(Al與Fe2O3的摩爾比為2∶1)220g，再次啟動離心機達到上述轉(zhuǎn)速，同樣用鎢絲點燃混合粉的燃燒反應，如圖1b所示。冷卻到室溫后，從型筒中取出，去除內(nèi)表面的氧化鋁層，得到碳化鈦為陶瓷相、鐵為粘結(jié)相的金屬陶瓷環(huán)?；蛘哐趸X層也可不去除，應用于內(nèi)外表面都經(jīng)受磨損的工況。
實施例2第二步驟中混合粉的總量為166g，其中鋁熱劑為108g(65％)，鐵粉58g(35％)。其它條件與實施例1相同，同樣可以得到如實施例1的金屬陶瓷環(huán)。
實施例3將鈦粉與石墨粉按摩爾比1∶1配料，再按質(zhì)量比(Ti+C)∶Fe＝1∶1混入鐵粉，稱10g壓成直徑20mm圓柱坯，用鎢絲通電點燃合成TiC預成形體。冷卻后，如圖2所示，將TiC預成形體裝入徑向離心機模具中，再在模具中裝入鋁粉與四氧化三鐵粉混合的鋁熱劑(Al與Fe3O4的摩爾比為8∶3)120g。啟動離心機后，用鎢絲點燃上述鋁熱劑。冷卻到室溫后，從模具中取出，去除表面的氧化鋁層，得到碳化鈦為陶瓷相、鐵為粘結(jié)相的金屬陶瓷。
權(quán)利要求
1.一種用粉末原料制備金屬陶瓷的方法，其特征在于包括如下工藝步驟a、將鈦粉與石墨粉按摩爾比1∶1混合后，通過燃燒合成制成多孔TiC預成形體；b、在離心力作用下將通過燃燒合成得到的液態(tài)金屬滲入TiC預成形體中制成金屬陶瓷，其中產(chǎn)生的液態(tài)金屬的體積比TiC預成形體中的孔隙體積多3-5％。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在Ti-C混合粉中加入鐵粉，加入量為0～50質(zhì)量％。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將Fe2O3和Fe3O4中的至少一種粉末與鋁粉混合成的鋁熱劑置于離心機中的TiC預成形體上方，離心機旋轉(zhuǎn)后引燃鋁熱劑的燃燒反應，反應產(chǎn)生的熔融鐵滲入TiC預成形體中，從而制成金屬陶瓷，鋁熱劑中鋁粉與Fe2O3或Fe3O4粉的比例滿足下面的化學反應式。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在鋁熱劑粉中加入鐵粉，鐵粉加入量為鋁熱劑量的0～35質(zhì)量％。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用粉末原料制備金屬陶瓷的方法，包括如下步驟(1)將鈦粉與石墨粉按摩爾比1∶1混合后，通過燃燒合成制成多孔TiC預成形體；(2)在離心力作用下將通過燃燒合成得到的液態(tài)金屬滲入TiC預成形體中制成金屬陶瓷，其中產(chǎn)生的液態(tài)金屬的體積比TiC預成形體中的孔隙體積多3－5％。本發(fā)明的優(yōu)點在于工藝簡單，材料致密，可以直接成形工件，制造成本低。
文檔編號C22C1/05GK1594625SQ200410009230
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月21日
發(fā)明者林濤, 崔鳳娥, 郭志猛, 高峰, 隋延安, 吳斌, 殷聲 申請人:北京科技大學