本發(fā)明涉及一種金屬陶瓷材料的制備方法，特別涉及基于碳擴(kuò)散的表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ti(c,n)基金屬陶瓷是由硬質(zhì)相、粘結(jié)相和添加劑構(gòu)成,它具有密度低、硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金、化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能好等有優(yōu)點(diǎn)，在切削刀具和耐磨零件能領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在金屬陶瓷表面引入石墨等自潤(rùn)滑相，可以降低磨損程度，提高其摩擦磨損性能，有利于其廣泛應(yīng)用。cn106011733a公開了一種金屬陶瓷表面處理方法，其特征在于：將陶瓷坯體置于充滿碳源氣體的真空容器中，在1600-1800℃的真空條件下進(jìn)行滲碳處理，保溫2-4h后取出陶瓷制品，滲碳完畢，然后于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，再在表面涂覆硅溶膠，得到表面處理的陶瓷。鐘杰等報(bào)道了一種金屬陶瓷的雙輝滲碳方法，按tic-10wt%tin-32wt%ni-16wt%mo-8.4wt%wc配料，粉末混合后加適量酒精分散，機(jī)械球磨混料24h，轉(zhuǎn)速260r/min，球料比為7：1；球磨后烘干并壓制成型,壓制壓力為300mpa；隨后進(jìn)行真空液相燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1430℃，保溫60min；燒結(jié)后打磨拋光試樣表面，裝入雙輝等離子滲碳設(shè)備中進(jìn)行滲碳，滲碳溫度為1200℃，滲碳時(shí)間為180min，放電氣體為高純氬氣，源極靶材為高純石墨。（鐘杰,鄭勇,張一欣.功能梯度ti(c,n)基金屬陶瓷制備技術(shù).復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26（3）：111-115）。
但是，上述方法是在材料燒結(jié)完成后再進(jìn)行滲碳處理，滲碳時(shí)間長(zhǎng)，效率不高；而且高溫下金屬陶瓷材料容易出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致材料性能下降。有的還需要特殊的等離子設(shè)備。因此，尋找制備表面自潤(rùn)滑金屬陶瓷材料的新方法十分必要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)目前制備表面自潤(rùn)滑金屬陶瓷材料時(shí)，“燒結(jié)+滲碳”工藝存在的晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重、滲碳時(shí)間長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題，提出先將金屬陶瓷壓坯脫除成型劑使其形成多孔生坯，再將al2o3包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末、粒度30~50nm的納米石墨、baco3混合行星球磨時(shí)均勻混合形成含氫滲碳介質(zhì)，然后將多孔生坯放入滲碳介質(zhì)中并進(jìn)行緊實(shí)，最后進(jìn)行液相燒結(jié)時(shí)基于碳擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備。
本發(fā)明的基于碳擴(kuò)散的表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備方法，其特征在于依次包含以下步驟：
（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯制備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni占5～20wt%，co占0～20wt%，mo2c占5～15wt%，wc占5～20wt%，tic0.7n0.3為余量；將稱取的粉末混合并經(jīng)過(guò)球磨、過(guò)濾、干燥、摻成型劑、壓制成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結(jié)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(zhì)配制：先稱取粒度為0.5~1.5μm的tih2粉末加入到無(wú)水乙醇中形成tih2占35wt%的混合液，然后進(jìn)行20~40min的超聲分散處理，并在80~100℃和真空度為10～20pa條件下真空干燥1h；再以去離子水和無(wú)水乙醇混合液為溶劑配制溶液，按濃度為0.1～0.8mol/l加入alcl3，按alcl3濃度的10倍加入經(jīng)過(guò)超聲分散的tih2粉末，并用ch3cooh調(diào)節(jié)ph值到3～6,然后在磁力攪拌器中60～80℃下攪拌8～24h，并在120~150
℃下干燥1～3h，得到al2o3包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末；再將al2o3包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末，粒度30~50nm的納米石墨，baco3三種物質(zhì)按重量百分比2:1:1混合，并在行星球磨機(jī)中球磨1~2h，制成含氫滲碳介質(zhì)；
（3）生坯在含氫滲碳介質(zhì)中的裝填：先將含氫滲碳介質(zhì)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(zhì)與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，并確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質(zhì)厚度大于5mm；然后在5~15mpa壓力下緊實(shí)含氫滲碳介質(zhì)，使其體積縮小到松裝狀態(tài)的40~60%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止?jié)B碳介質(zhì)逸出；
（4）表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備：在真空燒結(jié)爐中1350～1500℃保溫1～3h，碳元素由含氫滲碳介質(zhì)向金屬陶瓷表面擴(kuò)散，形成300~700μm厚的表面自潤(rùn)滑層，最終實(shí)現(xiàn)表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備。
本發(fā)明的基于碳擴(kuò)散的表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備方法，其進(jìn)一步的特征在于：
（1）金屬陶瓷生坯制備時(shí)球磨時(shí)間為24～72h，過(guò)濾采用400目篩網(wǎng)，干燥在85～100℃進(jìn)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壓力下壓制成型；金屬陶瓷生坯脫除成型劑時(shí)，升溫速度為1～5℃/min；
（2）含氫滲碳介質(zhì)配制時(shí)，超聲處理時(shí)超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，配制溶液使用的溶劑中去離子水與無(wú)水乙醇的體積比為1:10，制備al2o3包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末時(shí)，磁力攪拌的速度為20～50r/min，核/殼結(jié)構(gòu)粉末、納米石墨、baco3混合行星球磨時(shí)，轉(zhuǎn)速為300r/min；
（3）生坯在滲碳介質(zhì)中裝填時(shí)所用的石墨坩堝的石墨材質(zhì)抗折強(qiáng)度大于20mpa；
（4）表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備時(shí)，先以5～10℃/min升溫到500～650℃并保溫1～2h；然后以5～10℃/min升溫到1100～1250℃并保溫1～3h；再以5～10℃/min升溫到1350～1500℃并保溫1～3h，燒結(jié)真空度為1～5pa；燒結(jié)結(jié)束后的降溫速度為1～8℃/min。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）以多孔生坯作為滲碳基體，在燒結(jié)過(guò)程中原位實(shí)現(xiàn)表面滲碳，這與傳統(tǒng)的先燒結(jié)再滲碳相比工藝更簡(jiǎn)潔，且不會(huì)存在晶粒二次長(zhǎng)大的問(wèn)題；（2）滲碳劑中引入金屬氫化物tih2，在燒結(jié)過(guò)程中分解出h2并與納米石墨發(fā)生c+2h2=ch4，ch4=[c]+h2，形成的活性碳原子進(jìn)入金屬中實(shí)現(xiàn)滲碳；al2o3包覆在tih2表面可控制h2釋放速率，避免快速耗盡；（3）生坯脫除成型劑后形成的多孔生坯具有巨大的表面積，有利于活性碳原子的吸附和滲碳效率的提高；（4）提出通過(guò)控制滲碳介質(zhì)的緊實(shí)度來(lái)確保滲碳介質(zhì)與金屬陶瓷之間的接觸，提高滲碳效率；（5）采用納米石墨為碳源，其粒度小反應(yīng)活性更大，滲碳效率高。
附圖說(shuō)明
圖1本發(fā)明的基于碳擴(kuò)散的表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備方法工藝示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)例1：按以下步驟原位制備表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷：
（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯制備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni占8wt%，co占2wt%，mo2c占5wt%，wc占6wt%，tic0.7n0.3為余量；將稱取的粉末混合并經(jīng)過(guò)36h球磨、400目篩網(wǎng)過(guò)濾、85℃干燥、按金屬陶瓷粉末重量的65%摻入丁鈉橡膠成型劑、在300mpa壓制成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結(jié)爐中500℃保溫2h，升溫速度為2℃/min，真空度為10pa,形成孔隙度為26%的脫除成型劑的金屬陶瓷生坯；
（2）含氫滲碳介質(zhì)配制：先稱取粒度為0.9μm的tih2粉末加入到無(wú)水乙醇中形成tih2占35wt%的混合液，然后進(jìn)行25min的超聲分散處理，超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，并在80℃和真空度為12pa條件下真空干燥1h；再以去離子水和無(wú)水乙醇混合液為溶劑配制溶液，去離子水與無(wú)水乙醇的體積比為1:10，按濃度為0.2mol/l加入alcl3，按濃度為2mol/l加入經(jīng)過(guò)超聲分散的tih2粉末，并用ch3cooh調(diào)節(jié)ph值到3,然后在磁力攪拌器中60℃下攪拌9h，磁力攪拌的速度為25r/min，并在125℃下干燥2h，得到al2o3包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末；再將al2o3包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末，粒度35nm的納米石墨，baco3三種物質(zhì)按重量百分比2:1:1混合，并在行星球磨機(jī)中球磨1h，攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min，制成含氫滲碳介質(zhì)；
（3）生坯在含氫滲碳介質(zhì)中的裝填：先將含氫滲碳介質(zhì)裝入石墨坩堝中，石墨坩堝的石墨材質(zhì)抗折強(qiáng)度大于20mpa，再將脫除成型劑的金屬陶瓷生坯埋入；含氫滲碳介質(zhì)與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，并確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質(zhì)厚度大于5mm；然后在6mpa壓力下緊實(shí)含氫滲碳介質(zhì)，使其體積縮小到松裝狀態(tài)的42%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止?jié)B碳介質(zhì)逸出；
（4）表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備：在真空燒結(jié)爐中先以5℃/min升溫到520
℃并保溫1h；然后以6℃/min升溫到1100℃并保溫2h；再以8℃/min升溫到1400℃并保溫1h，燒結(jié)真空度為2pa；燒結(jié)結(jié)束后的降溫速度為4℃/min，碳元素由含氫滲碳介質(zhì)向金屬陶瓷表面擴(kuò)散，形成600μm厚的表面自潤(rùn)滑層，最終實(shí)現(xiàn)表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備。
實(shí)例2：按以下步驟原位制備表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷：
（1）脫成型劑金屬陶瓷生坯制備：按重量百分比稱取各種原料粉末配料，其中ni占8wt%，co占8wt%，mo2c占5wt%，wc占7wt%，tic0.7n0.3為余量；將稱取的粉末混合并經(jīng)過(guò)65h球磨、400目篩網(wǎng)過(guò)濾、90℃干燥、按金屬陶瓷粉末重量的110%摻入丁鈉橡膠成型劑、在350mpa壓制成型得到金屬陶瓷生坯；金屬陶瓷生坯在真空燒結(jié)爐中600℃保溫2h，升溫速度為3℃/min，真空度為15pa,形成孔隙度為32%的脫除成型劑的金屬陶瓷生坯；
（2）含氫滲碳介質(zhì)配制：先稱取粒度為1.4μm的tih2粉末加入到無(wú)水乙醇中形成tih2占35wt%的混合液，然后進(jìn)行40min的超聲分散處理，超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，并在90℃和真空度為12pa條件下真空干燥1h；再以去離子水和無(wú)水乙醇混合液為溶劑配制溶液，去離子水與無(wú)水乙醇的體積比為1:10，按濃度為0.8mol/l加入alcl3，按濃度為8mol/l加入經(jīng)過(guò)超聲分散的tih2粉末，并用ch3cooh調(diào)節(jié)ph值到3,然后在磁力攪拌器中70℃下攪拌12h，磁力攪拌的速度為30r/min，并在140℃下干燥1h，得到al2o3包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末；再將al2o3包覆tih2的核/殼結(jié)構(gòu)粉末，粒度50nm的納米石墨，baco3三種物質(zhì)按重量百分比2:1:1混合，并在行星球磨機(jī)中球磨1h，攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min，制成含氫滲碳介質(zhì)；
（3）生坯在含氫滲碳介質(zhì)中的裝填：先將含氫滲碳介質(zhì)裝入石墨坩堝中，石墨坩堝的石墨材質(zhì)抗折強(qiáng)度大于20mpa，再將脫除成型劑的金屬陶瓷生坯埋入；含氫滲碳介質(zhì)與脫成型劑金屬陶瓷生坯的重量比為5:1，并確保脫成型劑金屬陶瓷生坯周圍的含氫滲碳介質(zhì)厚度大于5mm；然后在10mpa壓力下緊實(shí)含氫滲碳介質(zhì)，使其體積縮小到松裝狀態(tài)的50%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止?jié)B碳介質(zhì)逸出；
（4）表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備：在真空燒結(jié)爐中先以10℃/min升溫到600℃并保溫1h；然后以8℃/min升溫到1250℃并保溫2h；再以6℃/min升溫到1400℃并保溫2h，燒結(jié)真空度為2pa；燒結(jié)結(jié)束后的降溫速度為4℃/min，碳元素由含氫滲碳介質(zhì)向金屬陶瓷表面擴(kuò)散，形成400μm厚的表面自潤(rùn)滑層，最終實(shí)現(xiàn)表面自潤(rùn)滑ti(c,n)基金屬陶瓷原位制備。