[发明专利]高强度、高韧性、低比重硬质复合材料

说明书

本发明属于陶瓷及其陶瓷复合材料技术领域。

本发明涉及一种高强度、高韧性、低比重的硬质复合材料，这种复合材料有强度高；抗冲击韧性好，重量轻，又具有一定硬度的特点。

在某些应用条件下，要求材料具有高的强度、优良的抗冲击韧性和硬度，同时又需要其具有低的比重。例如，石油钻井工业中所用的新型固井卡件，既要比重小，这样可随油浆等一起冲出井筒，而不至于留在井底影响进一步钻井；同时，又希望具有高的强度、抗剪切性能和良好的韧性。

在这种情况下，几乎所有的材料都不同时具备这几个性能要求。纯陶瓷及其陶瓷基复合材料，例如PZT等，尽管在硬度、比重及断裂韧性方面满足要求，但一般强度较低，使用中易崩角，价格昂贵；高钴类硬质合金在硬度、抗冲击韧性及强度方面能满足要求，但比重太大；纯金属材料及合金则不能满足强度和比重的要求。

在现有的TiC类硬质材料中，主要发展了YN系列的金属陶瓷，其特点是在保持一定强度时强调材料的高硬度，但断裂韧性一般不超过IOMPa，抗冲击韧性较差。

美国专利3674443，3762919报道了一种用于切削工具的TiC-Ni复合材料，其主要成份是80-97％(体积比)TiC、3-20％(体积比)Ni，并且采用热压工艺成型。这种工艺的主要问题是制备成本高，异型件难以制备，并且在材料性能上存在抗冲击韧性差、强度低的缺点。日本专利平2-66135给出了一种低比重的金属陶瓷，其主要成份是TiC、WC、TaC、NbC、及Ni、Co等，这种材料存在强度低，冲击韧性差的缺点。中国专利CN1079996A报导了一种热加工用的轻质硬质合金，其主要成份是TiC加其它碳化物为硬质相，Ni、Co等为粘结相，成份复杂、性能难以控制且制造成本较高。

本发明所提供的高强度、高韧性、低比重硬质复合材料，其硬质相由单一的TiC构成，占45-58％，粘结相由Ni、Mo、Nb、Cr构成，占42-55％。

选择TiC作为硬质相主要是TiC比重小、重量轻，同时TiC具有较好的硬度和一定的强度，在复合材料中提供所需的硬度，并且在较高含量条件下，不至使材料的比重过大。在材料组成中，TiC含量不得低于45wt％，否则材料硬度下降，不能满足材料对抗磨性的要求，同时材料比重也增大。最佳含量在48-55wt％之间。若硬质相超过58wt％，则材料的强度下降，断裂韧性下降，抗冲击性能差。

金属粘结相Ni有利于提高材料的强度，其含量在26-35wt％为宜。Mo的加入主要是改善Ni与TiC之间的润湿性，在烧结过程中促进材料的致密化，降低孔隙率，提高材料强度和韧性。同时Mo的加入有抑制TiC晶粒长大的作用。Mo加入量一般为8-16wt％。Nb加入主要是改善材料的抗冲击韧性，Nb在高温烧结过程中与TiC形成(Ti、Nb)C固溶体，这种结构可以较大地降低TiC脆性，并且与Ni(Mo)之间有更好的相容性，使材料韧性大幅度提高。Nb含量一般不超过2wt％。Cr的加入主要是降低复合材料的烧结温度，并且抑制TiC晶粒长大，有利于促进材料的致密化和韧性的提高，其掺加量一般为1-2wt％。

本发明所述的硬质复合材料，其主要化学成份是：    TiC：    45-58wt％    Ni：26-35wt％    Mo：     8-16wt％     Nb：1-2wt％    Cr：     1-2wt％

这种材料的制备，可以采用自蔓延高温合成动态热压工艺来制备，也可以采用传统的粉未冶金工艺。1.自蔓延高温合成动态热压工艺：配料：单质Ti粉、碳黑、Ni、Mo、Nb、Cr单独计量混合：选择硬质合金罐、磨料球、干法混合24小时。

压制与成型：混合样品装入自蔓延高温合成模具中，进行自蔓延高温合成，同时施加高压，整个过程由SHS点火——燃烧合成——动态热压——冷却卸模等环节构成。卸模后可得材料样品。2.传统的粉末冶金工艺：配料：TiC、Ni、Mo、Nb单独计量、配料混合：湿法混料，真空干燥成型：双轴向模压成型烧结：真空烧结，温度1350-1450℃，保温1-1.5小时。采用本发明提供的材料配方，以上述工艺制备的硬质复合材料，密度为6.2-6.5g/cm³，硬度为82-85HRA，弯曲强度为1300-1600MPa，断裂韧性为K_IC：11-15MPa经实际应用考核，能够满足应用条件对材料的要求，获得了高钴类硬质合金及PZT陶瓷材料不可比拟的效果。

实施例1