表面自潤滑Ti(C,N)基金屬陶瓷的原位製備方法與流程

2023-07-07 12:11:06 2

本發明涉及一種金屬陶瓷材料的製備方法，特別涉及表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷的原位製備方法，屬於複合材料領域。

背景技術：

ti(c,n)基金屬陶瓷是以ti(c,n)等為基，ni/co為粘結劑，並添加wc、mo2c、tac等碳化物採用粉末冶金方法製備的多相固體材料。由於具有高硬度、耐磨性等優異性能，被用於耐磨零件。但是，在幹摩擦或者同質材料自配副等惡劣磨損條件下，金屬陶瓷仍會遭受嚴重的磨損。在金屬提高陶瓷中引入石墨潤滑相可以降低摩擦係數，顯著降低材料磨損。因此，對金屬陶瓷進行表面滲碳處理以獲得表面自潤滑相是一種較為理想的降低磨損途徑。

cn106011733a公開了一種金屬陶瓷表面處理方法，其特徵在於：將陶瓷坯體置於充滿碳源氣體的真空容器中，在1600-1800℃的真空條件下進行滲碳處理，保溫2-4h後取出陶瓷製品，滲碳完畢，然後於50-80℃浸入特定的改性劑（單氟磷酸鈉和氟化鉀的丙酮溶液）中，再在表面塗覆矽溶膠，得到表面處理的陶瓷。cn1526847a公開了一種硬質合金製品的滲碳處理方法，其特徵在於該方法包括：a、配製滲碳劑：按重量百分比計，將al2o3細粉30～50wt％、石墨粒10～30wt％及碳酸鹽或/和碳酸氫鹽30～50wt％投入攪拌器內，攪拌混合均勻後待用。b、裝舟：將配製好的滲碳劑按要求量裝入石墨舟皿中，同時將按常規方法生產的金相組織均勻且機械性能一致的硬質合金燒結體埋於滲碳劑內；c、滲碳處理：將上述裝好的石墨舟皿送入熱處理爐內，在1390～1450℃溫度範圍內滲碳處理50～120min；冷卻後即得目的物。

但是，上述方法是金屬陶瓷燒結完成後再進行滲碳處理，滲碳時間長效率不高且金屬陶瓷材料容易出現晶粒長大。因此，尋找簡單可靠的滲碳技術以製備出表面自潤滑金屬陶瓷材料十分必要。

技術實現要素：

本發明針對目前製備表面自潤滑金屬陶瓷材料時，「燒結+滲碳」工藝存在的晶粒長大嚴重、滲碳時間長、效率低的問題，提出先將製備出含碳化物形成元素的金屬陶瓷坯體，再將sio2包覆tih2的核/殼結構粉末、多壁碳納米管、nahco3混合行星球磨時均勻混合形成含氫滲碳介質，然後將多孔生坯放入滲碳介質中並進行緊實，最後進行液相燒結時原位形成表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷。

本發明表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷的原位製備方法，其特徵在於依次包含以下步驟：

（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯製備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni佔5～20wt%，co佔0～20wt%，mo2c佔5～15wt%，wc佔5～20wt%，tic0.7n0.3為餘量；將稱取的粉末混合併經過球磨、過濾、乾燥、摻成型劑、壓製成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結爐中500～650℃保溫2～4h，真空度為10～25pa,形成孔隙度為25%～40%的脫除成型劑的金屬陶瓷生坯；

（2）含氫滲碳介質配製：先稱取粒度為0.5~1.5μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2佔35wt%的混合液，然後進行20~40min的超聲分散處理，並在80~100℃和真空度為10～20pa條件下真空乾燥1h；再以去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配製溶液，按濃度為0.1～0.8mol/l加入正矽酸乙酯，按正矽酸乙酯濃度的10倍加入經過超聲分散的tih2粉末，並用ch3cooh調節ph值到3～6,然後在磁力攪拌器中60～80℃下攪拌8～24h，並在120~150℃下乾燥1～3h，得到sio2包覆tih2的核/殼結構粉末；再將sio2包覆tih2的核/殼結構粉末，外徑小於8nm、長度小於30μm且比表面積大於350m2/g的多壁碳納米管，nahco3三種物質按重量百分比2:1:1混合，並在行星球磨機中球磨1~2h，製成含氫滲碳介質；

（3）生坯在含氫滲碳介質中的裝填：先將含氫滲碳介質裝入石墨坩堝中，再將脫除成型劑的金屬陶瓷生坯埋入；含氫滲碳介質與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，並確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質厚度大於5mm；然後在5~15mpa壓力下緊實含氫滲碳介質，使其體積縮小到松裝狀態的40~60%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止滲碳介質逸出；

（4）原位形成表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷：在真空燒結爐中1350～1500℃保溫1～3h，碳元素由含氫滲碳介質向金屬陶瓷表面擴散，形成400~800μm厚的表面自潤滑層,最終原位製備出表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷。

本發明的表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷的原位製備方法，其進一步的特徵在於：

（1）金屬陶瓷生坯製備時球磨時間為24～72h，過濾採用400目篩網，乾燥在85～100℃進行，按金屬陶瓷粉末重量的50～120%摻入丁鈉橡膠成型劑，在300～400mpa壓力下壓製成型；金屬陶瓷生坯脫除成型劑時，升溫速度為1～5℃/min；

（2）含氫滲碳介質配製時，超聲處理時超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，配製溶液使用的溶劑中去離子水與無水乙醇的體積比為1:10，製備sio2包覆tih2的核/殼結構粉末時，磁力攪拌的速度為20～50r/min，核/殼結構粉末、多壁碳納米管、nahco3混合行星球磨時，轉速為300r/min；

（3）生坯在滲碳介質中裝填時所用的石墨坩堝的石墨材質抗折強度大於20mpa；

（4）原位形成表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷時，先以5～10℃/min升溫到500～650℃並保溫1～2h；然後以5～10℃/min升溫到1100～1250℃並保溫1～3h；再以5～10℃/min升溫到1350～1500℃並保溫1～3h，燒結真空度為1～5pa；燒結結束後的降溫速度為1～8℃/min。

本發明的優點在於：（1）以多孔生坯作為滲碳基體，在燒結過程中原位實現表面滲碳，這與傳統的先燒結再滲碳相比工藝更簡潔，且不會存在晶粒二次長大的問題；（2）滲碳劑中引入金屬氫化物tih2，在燒結過程中分解出h2並與多壁碳納米管發生c+2h2=ch4，ch4=[c]+h2，形成的活性炭原子進入金屬中實現滲碳；sio2包覆在tih2表面可控制h2釋放速率，避免快速耗盡；（3）生坯脫除成型劑後形成的多孔生坯具有巨大的表面積，有利於活性炭原子的吸附和滲碳效率的提高；（4）提出通過控制滲碳介質的緊實度來確保滲碳介質與金屬陶瓷之間的接觸，提高滲碳效率；（5）採用多壁碳納米管為碳源，其粒度小反應活性更大，滲碳效率高。

附圖說明

圖1本發明的表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷的原位製備方法的工藝示意圖。

具體實施方式

實例1：按以下步驟原位製備表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷：

（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯製備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni佔5wt%，co佔5wt%，mo2c佔6wt%，wc佔6wt%，tic0.7n0.3為餘量；將稱取的粉末混合併經過48h球磨、400目篩網過濾、90℃乾燥、按金屬陶瓷粉末重量的80%摻入丁鈉橡膠成型劑、在300mpa壓製成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結爐中550℃保溫2h，升溫速度為2℃/min，真空度為15pa,形成孔隙度為30%的脫除成型劑的金屬陶瓷生坯；

（2）含氫滲碳介質配製：先稱取粒度為0.7μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2佔35wt%的混合液，然後進行20min的超聲分散處理，超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，並在90℃和真空度為10pa條件下真空乾燥1h；再以去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配製溶液，去離子水與無水乙醇的體積比為1:10，按濃度為0.2mol/l加入正矽酸乙酯，按濃度為2mol/l加入經過超聲分散的tih2粉末，並用ch3cooh調節ph值到3,然後在磁力攪拌器中60℃下攪拌9h，磁力攪拌的速度為30r/min，並在120℃下乾燥2h，得到sio2包覆tih2的核/殼結構粉末；再將sio2包覆tih2的核/殼結構粉末，外徑小於8nm、長度小於30μm且比表面積大於350m2/g的多壁碳納米管，nahco3三種物質按重量百分比2:1:1混合，並在行星球磨機中球磨2h，攪拌轉速為300r/min，製成含氫滲碳介質；

（3）生坯在含氫滲碳介質中的裝填：先將含氫滲碳介質裝入石墨坩堝中，石墨坩堝的石墨材質抗折強度大於20mpa，再將脫除成型劑的金屬陶瓷生坯埋入；含氫滲碳介質與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，並確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質厚度大於5mm；然後在15mpa壓力下緊實含氫滲碳介質，使其體積縮小到松裝狀態的40%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止滲碳介質逸出；

（4）原位形成表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷：在真空燒結爐中先以10℃/min升溫到550℃並保溫1h；然後以6℃/min升溫到1200℃並保溫1h；再以5℃/min升溫到1450℃並保溫1h，燒結真空度為2pa；燒結結束後的降溫速度為2℃/min，碳元素由含氫滲碳介質向金屬陶瓷表面擴散，形成700μm厚的表面自潤滑層，最終原位製備出表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷。

實例2：按以下步驟原位製備表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷：

（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯製備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni佔10wt%，co佔6wt%，mo2c佔10wt%，wc佔5wt%，tic0.7n0.3為餘量；將稱取的粉末混合併經過64h球磨、400目篩網過濾、85℃乾燥、按金屬陶瓷粉末重量的100%摻入丁鈉橡膠成型劑、在400mpa壓製成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結爐中650℃保溫4h，升溫速度為2℃/min，真空度為10pa,形成孔隙度為25%的脫除成型劑的金屬陶瓷生坯；

（2）含氫滲碳介質配製：先稱取粒度為1μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2佔35wt%的混合液，然後進行35min的超聲分散處理，超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，並在88℃和真空度為15pa條件下真空乾燥1h；再以去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配製溶液，去離子水與無水乙醇的體積比為1:10，按濃度為0.6mol/l加入正矽酸乙酯，按濃度為6mol/l加入經過超聲分散的tih2粉末，並用ch3cooh調節ph值到6,然後在磁力攪拌器中80℃下攪拌20h，磁力攪拌的速度為50r/min，並在140℃下乾燥1h，得到sio2包覆tih2的核/殼結構粉末；再將sio2包覆tih2的核/殼結構粉末，外徑小於8nm、長度小於30μm且比表面積大於350m2/g的多壁碳納米管，nahco3三種物質按重量百分比2:1:1混合，並在行星球磨機中球磨1h，攪拌轉速為300r/min，製成含氫滲碳介質；

（3）生坯在含氫滲碳介質中的裝填：先將含氫滲碳介質裝入石墨坩堝中，石墨坩堝的石墨材質抗折強度大於20mpa，再將脫除成型劑的金屬陶瓷生坯埋入；含氫滲碳介質與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，並確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質厚度大於5mm；然後在15mpa壓力下緊實含氫滲碳介質，使其體積縮小到松裝狀態的50%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止滲碳介質逸出；

（4）原位形成表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷：在真空燒結爐中先以6℃/min升溫到550℃並保溫2h；然後以8℃/min升溫到1150℃並保溫23h；再以5℃/min升溫到1400℃並保溫1h，燒結真空度為1pa；燒結結束後的降溫速度為8℃/min，碳元素由含氫滲碳介質向金屬陶瓷表面擴散，形成460μm厚的表面自潤滑層，最終原位製備出表面自潤滑ti(c,n)基金屬陶瓷。