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三元硼化物基金属陶瓷的研究进展

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陶瓷金属化的方法、机理及影响因素的研究进展

陶瓷金属化的方法、机理及影响因素的研究进展

第40卷第4期2019年8月Vol.40No.4Aug.2019 Journal of C eramicsDOI:ki.tcxb.2019.04.001陶瓷金属化的方法、机理及影响因素的研究进展王玲康文涛2,高朋召1,康丁华S张桓桓2(1.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410082； 2.娄底市安地亚斯电子陶瓷有限公司，湖南娄底417000)摘要：主要介绍了陶瓷金属化的工艺流程，综述了近十年来陶瓷金属化的主要方法及相关机理研究，总结了金属化配方、烧结温度、显微结构等因素对陶瓷金属化效果的影响，并列举了陶瓷金属化效果的评价方法，最后对陶瓷金属化工艺的下一步的研究工作进行了展望。

关键词：陶瓷金属化；机理；影响因素；效果评价中图分类号：TQ174.75文献标志码：A文章编号：1000-2278(2019)04-0411-07 Research Progress of Methods,Mechanisms and Influencing Factorsof Ceramic MetallizationWANG Ling1,KANG Wentao2,GAO Pengzhao1,KANG Dinghua2,ZHANG Huanhuan2(1.College of Materials Science and Engineering,Hunan University,Changsha410082,Hunan,China;2.Loudi City Andeans Electronic Ceramics Co.Ltd.,Loudi417000,Hunan,China)Abstract:The technological process of ceramic metallization is introduced firstly,and main methods and relative mechanisms of ceramic metallization in recent ten years are reviewed.Also,the influence of metal powder compositions,sintering temperature and microstructure on the results of ceramics metallization are summarized.The evaluation method of ceramic metallization effect is also listed.Finally,the future research work of ceramic metallization technology is prospected.Key words:ceramic metallization;mechanism;influence factors;effect evaluation0引言随着微电子技术的发展，电子器件和电子装置中元器件的复杂性和密集型日益提高，开发性能优异、可满足各种要求的元器件电子封装材料已经成为当务之急［切。

金属陶瓷—钢覆层材料耐腐蚀性能的研究

金属陶瓷—钢覆层材料耐腐蚀性能的研究
料 的制备 过程 为 ： 料 一 钢 板 的处 理一 喷涂 一 烧 混 结 。按所 需 比例称 （ 量） 球磨 好 的 Ｆ Ｂ粉 、 或 取 ｅ 羰 基 铁粉 、 钼粉 、 墨 粉 等金 属 粉 末 和 Ｐ 、 ＯＰ 石 ＶＢ Ｄ 、 环 己酮等 添加 剂 ， 以无水 乙 醇为溶 剂 ， 入量 为 加
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第 ２ 卷 ： ｚ州 【 ｊ 军 ； ２０ ０ ６午 ４川
山东陶瓷 、
ＳＨ ＡＮＤ０ＮＧ ＣＥＲＡＭ Ｉ ＣＳ
ＶＯ１ ９ ＮＯ． ．２ ２ Ａ ｐ ． ２ ０６ ｒ ０
・
科 学实验 ・
文章 编 号 ：０ ５ ６ ９ ２０ ） ２ ０ ３ ３ １０ —０ ３ （ ０ ６０ ０ ０ ０
耐 腐 蚀 性 能 远 远 好 于 １ Ｍ ｎ和 Ｑ２ ５钢 的 耐 腐 蚀 性 能 。 ６ ３
关 键 词 三 元 硼 化 物 ； 属 陶 瓷 覆 层 ； 腐 蚀 性 金 耐
中 圄 分 类号 ： ＴＱ１ ４ ７ ８ ２ ７ ．５ ， ２ 文献 标 识 码 ： Ａ
ｌ 引言
采用 液相 烧结 工艺 制 备的二元 硼化 物金 属 陶 瓷 钢覆层 材 料 是 一 新 型 覆 层材 料 ， 种 它是 利 用 钼粉 、 粉 、 基 铁 粉 和 Ｆ Ｂ粉 ， 入 其 他 添 加 铬 羰 ｅ 加 剂 ， 备成 均 匀 分散 、 定 悬 浮 的料 浆 ， 后喷 涂 制 稳 然
为 １ ２ ℃Ｉ Ｊ ０ “ “ 。三元硼 化 物金 属 陶瓷 与 钢板 的 ２
复 合 如 图 １所 示 ¨ 。
】 基体表 面 ， 过 真 空 液 相烧 结 技 术 制 备成 硬 钢 通
质覆 层材料 ｎ 。采用 该技 术 制备 的 金属 陶 瓷覆 一］

三元硼化物硬质合金的研究进展

三元硼化物硬质合金的研究进展

三元硼化物硬质合金的研究进展摘要：本文对三元硼化物硬质合金的研究进展作了评述，介绍了三元硼化物硬质合金的发展趋势，总结了三元硼化物硬质合金在刀具材料及覆层材料等领域的应用情况，并对三元硼化物硬质合金的研究进行展望。

关键词：三元硼化物；硬质合金；研究进展前言硬质合金号称工业的牙齿，其具有较高的硬度和强度，良好的耐磨损、耐腐蚀等性能，作为一种高效的工具材料和结构材料，已广泛用于工具钢、注射成型模具、轧辊等领域，并且其应用领域不断拓展。

硬质合金的研究始于20世纪20年代，1923年，德国人Karl Schroeter[1]往碳化钨粉末中加进10%～20%的Co做粘结剂，发明了碳化钨和钴的新合金，硬度仅次于金刚石，这是世界上人工制成的第一种硬质合金。

在其后几十年里硬质合金的生产技术、产量和应用范围都得到了极大的发展。

基于近年原材料价格上涨、环保意识增强、硬质合金产品应用层面的拓宽等多方面的影响，硬质合金在近成型技术、涂层技术、工艺稳定性控制方面取得了长足的进步。

中国硬质合金工业起步于20世纪50年代的株洲硬质合金厂，60多年来，中国硬质合金从无到有，不断发展，取得了令世界瞩目的成就。

2011年我国硬质合金的产量约为2.35万吨，硬质合金的产量约占世界产量的38%，是世界硬质合金第一大生产国，但还不是强国[2,3]。

我国生产的硬质合金产品基本是中、低档产品，高端硬质合金产品仍由日美等发达国家垄断。

新型硬质合金材料被列入国家"十二五"发展规划，预计到"十二五"末，我国硬质合金产量达到3万吨,销售收入达到300亿元，由此可见硬质合金材料的重要性。

因此，开发新型硬质合金材料，促进材料工业转型升级已是科研工作者的责任使命。

1三元硼化物硬质合金的研究现状硬质合金也称为金属陶瓷，它是一种由高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)和粘结金属(Co、Fe、Mo)通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。

Mo2FeB2三元硼化物感应加热界面结构结合强度论文

Mo2FeB2三元硼化物感应加热界面结构结合强度论文

感应加热Mo_2FeB_2金属陶瓷涂层组织及性能研究【摘要】反应火焰喷涂技术是将普通的热喷涂技术与自蔓延高温合成技术二者结合起来的一种新工艺,然而由该方法制备的涂层存在着结合强度过低,组织孔隙较多等不足。

为解决以上问题,本文采用感应加热方法,对由反应火焰喷涂法制得的钢基三元硼化物Mo2FeB2金属陶瓷涂层进行相应后续热处理,以提高涂层的综合性能。

逐一分析13s 感应加热时间工艺对于Mo2FeB2涂层的相组成、显微组织、界面结构、结合强度、硬度以及耐磨性的影响,为此特增设一组未加任何后续热处理之Mo2FeB2涂层与感应加热Mo2FeB2涂层一并进行分析（以下为便于分析,将以上两组涂层分别简称为对照涂层与热处理涂层）。

结合他人针对对照涂层相组成所作的分析结果,采用X射线衍射仪对热处理涂层的相组成进行分析;为便于更详尽地了解感应加热工艺对于涂层的显微组织以及界面结构的影响,增设一组感应加热时间为10s的Mo2FeB2涂层,使用扫描电镜、... 更多还原【Abstract】 React flame spraying （RFS） is the combination of the self-propagation high temperature synthesis and the traditional thermal spray and the coating prepared by RFS still exists some defects, such as low bond strength, porous microstructure. In this study, Mo2FeB2 ternary boride cermet coating was deposited on Fe substrate by react flame spraying and the induction heating was chosen for the purpose ofimproving the combination property of the coating.The effects of induction ... 更多还原【关键词】Mo2FeB2三元硼化物；感应加热；界面结构；结合强度；【Key words】Mo2FeB2 ternary boride；Induction heating；Interfacial microstructure；Bond strength；摘要4-5Abstract 5第1章引言8-171.1 热喷涂技术简介8-91.2 三元硼化物M0_2FeB_2 金属陶瓷9-121.2.1 三元硼化物M0_2FeB_2 金属陶瓷性能9-101.2.2 金属基三元硼化物M0_2FeB_2 金属陶瓷层研究10-121.3 感应加热技术12-151.4 课题介绍15-171.4.1 课题来源151.4.2 研究目的151.4.3 研究内容15-161.4.4 研究意义16-17第2章试验材料及涂层制备17-232.1 试验材料17-192.1.1 基体材料17-182.1.2 粉末材料18-192.2 涂层制备19-232.2.1 三元硼化物金属陶瓷涂层的制备19-202.2.2 涂层感应加热处理20-23第3章涂层的组织及界面结构23-353.1 涂层的相组成23-243.2 涂层的显微组织及分析24-293.3 涂层的界面结构及分析29-343.4 本章小结34-35第4章涂层的结合强度35-434.1 涂层的结合强度测试方法35-374.2 涂层的结合强度37-404.3 涂层的结合强度分析40-424.4 本章小结42-43第5章涂层的显微硬度和耐磨性43-495.1 涂层显微硬度43-455.1.1 试验方法435.1.2 试验结果及分析43-455.2 涂层的耐磨性45-485.2.1 试验方法455.2.2 试验结果及分析45-485.3 本章小结48-49第6章结论与展望49-516.1 结论496.2 展望49-51参考文献。

三元层状化合物Al3BC3研究现状

三元层状化合物Al3BC3研究现状
抗 氧 化 剂 ，抗 水 解 性 能 优 良 ；而 且 能 够 承 受 住 温
Ｓ ｈ ａ ｏ ｗ ｅ ｉ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ ［ ８ ］ 等人 也 采 用 两 步 法 ，在 １ ６ ５ ０ ｏ Ｃ 保
度 剧 烈 变 化 ，如 在 １ ５ ０ ０ ￣ Ｃ 急 剧 冷 却 到 室 温 材 料 的 性 能 维持 较好 。 以下 主要 简要 评述 国 内Ｐ Ｆ Ａ １ Ｂ Ｃ 陶
由图１ 可看 出 ： （ １ ）含 有 一个 ｃ — Ｂ — ｃ 键 ，其
电子 结 构 研 究 表 明Ｃ — Ｂ — Ｃ 中 的共 价 键 强 度 在 材 料
１ Ａ １ ， Ｂ Ｃ 的 晶体 结构 和 性 能
１ ． １ Ａ Ｉ ３ Ｂ Ｃ ３ 的晶体 结构
Ａｌ ３ Ｂ Ｃ 。 的 晶 体 结 构 最 早 由Ｚ．Ｉ ｎ ｏ １ １ ｅ ， Ｈ． Ｔ ａ ｎ ａ ｋ ａ ，ａ ｎ ｄ Ｙ ． Ｉ ｎ ｏ ｍａ ｔ ａ 等人 测 定 ，得 出其
晶 体 结 构 为 六 方 晶 系 ， 空 间 群 为 Ｐ６ ／ ａｍｃ， ｒ
中最 强 ，从 而大大 降低 了Ａ Ｉ Ｂ Ｃ 的剪切 模量 ，由于 具 有 特殊 的 晶体 结 构 ，就 可 能通 过 独 特 的形 变 方
式 而具有低剪切形变阻力 ，使材料表现 出 良好 的
韧性和损伤容限【 ｌ ；（ ２ ）一个碳原子被５ 个铝原子 包 围形成Ａ ｌ ｃ 双三角锥体 ，铝原子 和硼原子结合
性。
最 早是 Ｔ ． Ｗａ ｎ ｇ ［ ７ ］ 等人 采用 两 步法 烧 结 ，以Ａ ｌ 粉 （ ９ ９ ． ９ ９ ％ ）、纯 Ｂ Ｃ 粉 （ ９ ９ ． ９ ％ ）以及 纯 Ｃ 粉无 压
烧结成功合成Ａ １ １ ３ Ｃ ，在 １ ８ ０ ０ ￣ Ｃ 保温２ ｈ ，升 温速 率为 １ ０ ￣ ２ ／ ｍ ｉ ｎ ；合成Ａ １ Ｂ Ｃ 块体材料被捣碎研磨成 粉末 ，采用放 电等离子热压烧结合成致 密度达到

三元硼化物基金属陶瓷涂层的制备、应用与发展

三元硼化物基金属陶瓷涂层的制备、应用与发展

直接通过模具及样 品进行烧结 ． 能够在较低烧结 温度和较小成 型压力 条件下将粉 末原料烧结成具有高性能 的材料【。在 Ｓ Ｓ 程 中． Ｐ过 晶粒 表面 容易活 化 ， 体扩 散 、 晶界扩散都 得到加 强 ， 速 了烧 结致 密化 过 加 程． 在短时间 内就可实现烧结体的高度致密化。 周兴华 。 以 Ｆ 粉 、 ｏ 等 ｅ Ｍ 粉及硼铁粉等为原 料 ． 以无水 乙醇 为球磨 介质 ， 球磨后进行真空干燥 ， 经过筛后压制成型 。 将成 型的坯体 和表面 净化处理后 的钢基体装入石墨模具 中后 ． 用放 电等离子烧结装 置进 利 行烧结 。 该烧结 过程分为烧 结体膨胀 、 气体溢 出、 烧结收缩 和烧结完 成四 个阶段 。与真空烧结相 比， 可大 大降低烧结 温度和保 温时间 ； 层由 覆 ＭｏＦ Ｂ 硬质相 和 ａ Ｆ ２ｅ — ｅ粘结相组 成 。 显微硬度 约为 １ ０ ＨＶ， ４０ 覆层 中 铬、 镍等元 素的添加起 到 了合金 强化的作用 ： 覆层和钢 基体之 间的结 合没有 出现硬度的突变 ． 而是存在一个硬度 的渐变 区嘲。
１ 固相反应法 ． ３
１ 三 元 硼 化 物 金 属 基 陶瓷 涂 层 的制 备 方 法
１１ 真 空 液 相 烧 结 法 ．
真空液相 烧结 Ｖ ｃ ｕ ｉ ｉ Ｐ ａ ｉ ｅ ｒ） ａｕ ｍ Ｌ ｕ ｈｓ Ｓ ｔ ｉｇ ｑｄ ｅ ｎ ｒ 是一种现代 表面涂 ｉ 层新技术 ． 可在金属表面得到耐磨抗 蚀的金属陶瓷复合涂层 其成分可 根据需要调整 ． 涂层硬度可在一定范围内变化 ． 其硬度上限可达 Ｈ Ｃ ０ Ｒ ７ 以上 ， 这是其它涂层工艺难 以达 到的 ． 层硬度分布均匀 ［ １ 且涂 ７。 － ８ 真空液相烧 结工艺制备涂层 的基本过程 为： 涂层原料粉 按预定成 分 比例配料 并混合均 匀 ． 加入有 机粘结 剂制备成料 浆 ： 对基 材的涂覆 面进行清 洗 ． 以去 除油污和氧 化皮 ： 料浆涂敷 或喷刷于 清洗过 的表 将 面上 ， 然后烘于 ． 使有机粘结剂 中的溶剂挥发掉 ． 然后 在真空下将试样 快速加热到熔结 温度 ． 温适 当时间后在真空炉 中冷 却 涂层 的熔 结 保 温度设定 在基材熔 点以下 ． 而在涂层 固相 温度 以上 ． 在该温 度下合金 涂层处于熔融状态 ． 使涂层 与基 材之间形成牢 固的冶金结合 。 赵正 ， 等以含有 ＭｏＦ 、 、 ｒＮ 组 分的金属 和合金粉末 为原料 ， 而氩 弧熔覆法 （ ＧＣａｄ 曲 、 ｅＢ Ｃ ， ｉ Ｔ ｌ ｉ 制备三元 硼化物 所需设备少 ， 作简单 ， Ｉ ｄｎ 操 通过真空液相烧结法成 功制得了三元硼化物硬质合金覆层材料 。 研究 成本低廉 ． 于推广 旧 易 。电弧热源 的能流密度虽不 如激光 束高 ， 但其高 测定表 明．三元硼化物硬质合 金材 料的硬度远高于 Ｑ ３ 钢基体 的硬 温足 以使 大多数材料熔化 ， ２５ 是实现熔覆 的一种灵活 的热 源。氩 弧的特 度 ． 中陶瓷硬质 相颗粒 提高 了覆层 抵抗压力 变形的 能力 ． 其 合金元 素 点是 热量集 中 。 能量密度 介于 自由电弧和压缩 电弧之 间 ， 加工 件被氩 的加入对铁基粘结相 也起到了显著的强化作用 ， 提高 了铁基粘结 相的 气包 围． 加热 、 冷却 过程中几乎无氧化 、 烧损现象 。 硬度 ， 进一 步提高 了覆 层的硬度 。 ｏＢＦ 等元素 通过浓 度梯度扩散 ， Ｍ ， 、ｅ 刘宗德 ． 等利用氩 弧熔覆 的方法原 位反应合成 了不同 Ｍ 、 ｏＢ原子 使三元硼化物金 属覆 层与钢基体牢 固结合㈣。 比的覆层 具体方法 为 ： 基高温合金为基体材料 ， 以镍 熔覆材料选 择 Ｂ １ 放 电等离 子烧结 技术 ． ２ 粉 、 ０ 、ｒ Ｍ 粉 ｃ 粉和 Ｎ 箔 。熔覆前 ， ｉ 基体 要除锈并清 除表面油污 。将 Ｂ 放 电等离 子烧结 （ ａ １ｍ ｉｅ ｎ 技 术是 近十几 年发 展起 粉 、 ０ 、ｒ Ｓ ｒ Ｐａ ａＳ ｔｉ ｐｋ ｓ ｎｒ Ｍ 粉 ｃ 粉球磨并制备成均匀 粉末 ， 用 Ｎ 箔作 外皮将 复合粉末 后 ｉ 来 的一 种致密化技术 。它在外加轴 向压力 的同时 ， 利用 大的脉冲 电流 制成粉芯焊 丝 ， 后采用钨极 氩弧熔覆设 备在一 定的熔覆 电流 、 最 熔覆

w(Fe)_

度保持在 １０ － ３ ~ １０ － ２ Ｐａꎬ随炉冷却至室温取出.
取出后的样品经研磨过筛后取用ꎬ图 １ 为制备的
产物的 ＸＲＤ 衍射图谱ꎬ可知产物为纯相 ＭｏＢ. 图
转变ꎬ掺杂质量分数 ２ ５％ Ｎｉ 的金属陶瓷观察到
２ 为原料粉末的形貌ꎬ如图可见ꎬＭｏＢ 粉末粒径在
金元素的 Ｎｉ 基黏结相的 Ｍｏ２ ＮｉＢ２ 基金属陶瓷的
. Ｔａｋａｇｉ
提出ꎬ当 Ｍｏ / Ｂ 原子比为 １ ０ 时ꎬ可以获得
较高的断裂强度( ＴＲＳ) . 同时ꎬ过量的 Ｂ 会导致
形成 Ｆｅ２ Ｂ、Ｆｅ３ Ｂ 和 Ｆｅ２３ Ｂ６ 等相的形成ꎬ其中 Ｆｅ２ Ｂ
作为一种硬度较高 [１８ － １９] 的脆性金属间化合物ꎬ会
降低材料抗弯强度
[２０]
. 当在 Ｍｏ２ ＦｅＢ２ 基金属陶
ｔｈｅ ｈａｒｄ￣ｐｈａｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｇｇｒｅｇａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｎｏｔ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ
ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ. Ａｆｔｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｔ １３５０ ℃ ｆｏｒ ２ ｈꎬ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ
机械性能 [２１] .
硬度、强度、韧性都有显著的影响ꎬＭｏ２ ＦｅＢ２ 的成
分配比和烧结工艺的改变与其微观组织调控密切
相关. 然而ꎬ以往制备 Ｍｏ２ ＦｅＢ２ 基金属陶瓷的原
料大多使用的是 ＦｅＢ 粉和 Ｍｏ 粉ꎬ有关改变 Ｍｏ
源和 Ｂ 源的研究鲜有报道. 此外ꎬ值得注意的是ꎬ
添加 Ｎｉ 可以改善 Ｆｅ 基黏结相的结构ꎬ随着黏结
第４４ 卷 第９ 期

金属陶瓷的研究进展_徐强

第19卷第4期Vol.19N o.4硬　质　合　金C EMEN T ED C ARBI DE2002年12月Dec.2002综合评述金属陶瓷的研究进展徐　强　张幸红　曲伟　韩杰才(哈尔滨工业大学复合材料研究所,哈尔滨,150001)摘　要　综述了金属陶瓷的发展、类型和应用,并对金属陶瓷的发展趋势进行了评述。

关键词　金属陶瓷　类型　应用　发展趋势1　引　言金属陶瓷,是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料,其中后者约占15%～85%(体积),同时在制备的温度下,金属和陶瓷相之间的溶解度相当小[1]。

它既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性,又有较好的金属韧性和可塑性,是一类非常重要的工具材料和结构材料。

其用途极其广泛,几乎涉及到国民经济的各个部门和现代技术的各个领域,对工业的发展和生产率的提高起着重要的推动作用,对金属陶瓷的研究已成为材料研究领域中一个非常重要的研究课题。

金属陶瓷(Cerm et)是由陶瓷(Ceramics)中的词头Cer与金属(Metal)中的词头Met结合起来构成[2]。

由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界,所以具体材料也很难划分界线。

从材料的组元看,“硬质合金”应该归入“金属陶瓷”,I.E.Cam pbell就曾把“硬质合金”归入到“金属陶瓷”之内[2],本文采用了他的观点,即将“硬质合金”归于“金属陶瓷”。

研究金属陶瓷的目的是要制取具有良好综合性能的材料,而这些性能是仅用金属或仅用陶瓷所不能得到的。

WC-Co基金属陶瓷作为研究最早的金属陶瓷,由于具有很高的硬度(HRA80～92),极高的抗压强度(600kg/m m2),已经应用于许多领域。

但是由于W和Co资源的短缺,促使了无钨金属陶瓷的研制与开发,迄今已历经三代[4,5,6]。

第一代是二战期间,德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷;第二代是60年代美国福特汽车公司发明的,它添加Mo到Ni粘结相中改善TiC和其它碳化物的润湿性,从而提高材料的韧性;第三代金属陶瓷则将氮化物引入合金的硬质相,改单一相为复合相,又通过添加Co 和其它元素改善了粘结相。

新型金属-陶瓷覆层材料的研究


还原铁粉为基本原料 。 加入 少量 Ｃ粉 、 另外 羰基 ｃ 粉和羰基 ｒ Ｎ粉 ， ｉ 其基本成分和 配比见表 ｌ 。
表 １硬质合 金覆层 的原料 组成 Ｗ（ ％）
Ｔ ｂ１ ａｒ ｗ ｔ ｒ ｓｃ ｍｐ ｓｔ ｎ ｏ ｈ ａｄ ａ ｉ ａ ｏ ｌｄ ｉｇ ¨ ｙｃａ ｄｎ
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２ １
中 国 陶 瓷 工 业
２０ ０ ７年 第 ３期
区是铁素体。而在过 渡区域内可 以清楚地看到浅色的长方形 块状三元硼化物 ＭｏＦ Ｂ 陶瓷硬质相与钢基体形成了冶金镶 ｅ 嵌结构 ， 界面 区无空洞 、 隙等界面结 合缺陷的存在 。 缝
原料 Ｍｏ 粉 Ｆ Ｂ粉 Ｃ 粉 Ｎｉ ｅ ｆ 粉 Ｃ粉 Ｆ 粉 ｅ
含量
４ ８
３ ０
５
２
０ ． ７
余量
２２实验 方 法 ，
按所需 比例称 （ 或量 ） 球磨 好 的 ＦＢ粉 、 基铁粉 、 取 ｅ 羰 钼 粉 、 墨粉 等金 属粉末 和 Ｐ 石 ＶＢ、 Ｐ 环 己酮等添加剂 。 ＤＯ 、 以无 水乙醇为溶 剂 ， 加入 量为 ｌ０ ｍｌ ｇ 放于球磨罐 中用湿 混法 Ｏ０ ／ 。 ｋ 混料 ２ ｈ 形成稳定的悬浮料浆。用压缩空气和雾化喷枪将料 ４， 浆喷至 Ｑ２ ５ ３ 钢基体 表面形成覆层坯体 ，干燥 后置于真空 炉 中烧结。钢基体进 行覆 层坯 体成形操 作前 ， 要进行除锈 、 清洗 等表面净化处理。
图 ２ 各元素在覆层材料 中分布的线扫描图象 ，可以看 是 出覆层材料 中 ，各种 元素 的浓度都有一定程度的逐渐变化 过 程， 而不是元素浓度的突变 。 由此可 以断定烧 结过程 中在高温 和浓度梯度 的作 用下 ，硬质覆层 中高浓度状 态的 Ｍｏ Ｃ 、 、 、 ｒＮｉ Ｂ元素穿越初始界面 向钢基体 中扩散 ，而钢基体表面高浓度

WCoB金属陶瓷的制备及其性能研究


Ｗ Ｃ Ｂ金 属 陶 瓷 的 制 备 及 其 性 能 研 究 ｏ
潘 应君 ， 徐 明 ， 胡 兵 ， 小林 饶
（ 汉 科 技 大 学材 料 与 冶 金 学 院 ， 北 武汉 ， ３ ０ １ 武 湖 ４０ ８ ）
摘 要 ： ＷＣ、 Ｂ 、 ｏ粉 末 为 原料 ， 用 真 空液 相 反 应 烧 结 技 术 制 备 ＷＣｏ 以 Ｔｉ ２ Ｃ 采 Ｂ金 属 陶 瓷 ， 利 用 ＸＲＤ、 ＥＭ 和 并 Ｓ
Ｗ Ｂ或 Ｃ Ｂ 等 二 元 硼 化 物 ， 生 产 过 程 较 长 。 ｏ 且
Ｓ ｅ 等ｎ］ ａｚ １ 在硬质 合金 原料 粉末 中直 接加 入 Ｔｉ Ｂ
察试 样微 观结 构 ， 用 能谱 仪 （ ＤＳ 对 试 样进 行 并 Ｅ ）
元 素分析 。采 用 ＭＭ一０ ２ ０型磨 损 仪 （ 选定 ７ ｇ ５ｋ
Ｗ Ｃ Ｂ被 用 作 硬 质 合 金 的 涂 层 ， 且 研 究 发 现 该 ｏ 并 涂 层 具 有 很 高 的 耐 磨 性 和 抗 氧 化 性 ［ ］ １ ９ ６ 。 ９３ 年， 日本 Ｔ ｙ ｈ ｎ公 司 采 用 原 位 反 应 液 相 烧 ｏ ｏＫｏ ａ 结 工 艺 成 功 开 发 出 包 括 Ｗ Ｃ Ｂ 在 内 的 三 元 硼 化 ｏ
Ｔ Ｅ ２０ Ｙ 一０ ０型 压 力 实 验 机 上 以 １ ０ＭＰ制 备 出 三 元 硼 化 物 ， 得 到 了 该 系 列 的 三 并
元 相 图 。Ｋｕ ， ｚ ｍａ等 ］ 定 了 ＷＣ Ｂ 的 晶格 参 测 ｏ 数 ， 出 它 具 有 类 似 于 Ｐ Ｃ 的 结 构 。 随 后 指 ｂ１
体 。压坯 体采用 真 空炉 进 行烧 结 ， 结 温度 分别 烧
为 １ ０ 、 ２ ０ １４ ０和 １４ ０ ℃ ， 保 温 １ｈ ４ ４ 并 。
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3国家自然科学基金(50674057);湖北省耐火材料与高温陶瓷重点实验室2省部共建国家重点实验室培育基地开放基金(G 0505)资助项目　承新:男,1983年生,硕士研究生,主要从事金属陶瓷复合材料的研究　Tel :025*********　E 2mail :chengxinzhouzhou @ 郑勇:通讯作者,男,1968年生,博士,教授,博士生导师　E 2mail :yzheng_only @三元硼化物基金属陶瓷的研究进展3承　新,郑　勇,于海军,卜海建,严永林,赵能伟(南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016) 摘要 总结了三元硼化物基金属陶瓷近几年的研究成果,主要论述了Mo 2NiB 2和Mo 2FeB 2基金属陶瓷的显微组织、合金元素的影响、制备技术以及性能的研究现状,总结了三元硼化物基金属陶瓷在刀具材料、模具材料以及覆层材料等领域的应用情况,并对今后的研究方向进行了展望。

关键词 三元硼化物　金属陶瓷　研究进展R esearch Progress in the T ernary Boride B ase CermetsC H EN G Xin ,ZH EN G Y ong ,YU Haijun ,BU Haijian ,YAN Y onglin ,ZHAO Nengwei(College of Materials Science and Technology ,Nanjing University of Aeronautics andAstronautics ,Nanjing 210016)Abstract The research progress in the ternary boride base cermets within a few years is summarized.The mi 2crostructure ,affection of metal addition ,preparation techniques and performance of Mo 2NiB 2and Mo 2FeB 2base cermets are primarily introduced.Then ,the application of ternary boride base cermets in the cutting tool ,mould and cladding are summarized.In addition ,the research trend of ternary boride base cermets is prospected.K ey w ords ternary boride ,cermet ,research progress0　引言由于二元硼化物的共价键较强,在烧结过程中,硼化物晶粒容易团聚,并与金属反应生成金属间化合物,从而降低金属液相对硼化物晶粒的润湿性,导致二元硼化物基金属陶瓷的机械性能较差[1,2]。

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,其具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性,以及较高的硬度和导电率,在耐磨、耐腐蚀等领域有着广阔的应用前景[3]。

因而,近年来国内外对三元硼化物基金属陶瓷的研究越来越多。

目前,国外已经研究了多个体系的三元硼化物基金属陶瓷,包括Mo 2NiB 2、Mo 2FeB 2以及WCoB 基金属陶瓷等[3,4]。

研究较多的有Mo 2NiB 2及Mo 2FeB 2基金属陶瓷,通过研究其成分、显微组织、烧结机理和性能的关系,使材料综合机械性能不断得到改善,其抗弯强度达到2000MPa 以上,硬度达到89HRA [3]。

其中,Mo 2NiB 2基金属陶瓷具有高耐腐蚀性,Mo 2FeB 2基金属陶瓷具有高耐磨性[3]。

国内学者主要是在国外研究的基础上,利用Mo 2FeB 2基金属陶瓷与钢良好的结合性能,在钢基体上制备Mo 2FeB 2基金属陶瓷覆层[4～6]。

但是,对基体的成分、制备技术等方面的研究还比较少,与国外的差距较大,所制备出的材料强韧性较低,需要在这些方面进行系统研究,以提高其综合性能。

为此,本文对Mo 2NiB 2及Mo 2FeB 2基金属陶瓷的研究成果进行了总结和评述。

1　Mo 2NiB 2基金属陶瓷1.1　显微组织Mo 2NiB 2基金属陶瓷以Mo 2NiB 2为硬质相,Ni 基合金为粘结相。

Mo 2NiB 2的晶体结构为斜方晶系M 3B 2型,添加Cr 、V 元素后,Cr 、V 能够置换Mo 2NiB 2中的部分Ni ,形成固溶体,并使斜方晶系Mo 2NiB 2转变为正方晶系[3]。

Ken 2ichi Takagi 等研究了700～1200℃之间Mo 2NiB 2基金属陶瓷的组织形貌变化。

Mo 2NiB 2基金属陶瓷在800℃以下,晶粒变化比较小。

随着温度的升高,通过固相扩散作用,颗粒颈部增长,并开始形成Mo 2NiB 2颗粒。

在1000℃左右,开始形成液相,获得初步致密化,而含Cr 和V 的Mo 2NiB 2基金属陶瓷在1100℃才发生此类变化。

到1200℃左右,烧结样品中仅残存少量气孔,接近完全致密化,含Cr 和V 的Mo 2NiB 2基金属陶瓷此时尚处于液相烧结过程中[7]。

1.2　合金元素的影响Ken 2ichi Takagi 在Ni 26.0B 258.6Mo (mass %)金属陶瓷中分别添加少量Cr 、V 、Fe 、Co 、Ti 、Mn 、Zr 、Nb 、W 合金元素,研究了不同合金元素的添加对Mo 2NiB 2基金属陶瓷结构和性能的影响[8]。

添加Cr 、V 元素后,Mo 2NiB 2晶体结构由斜方晶系转变为正方晶系,正方晶系与斜方晶系相比,结构的各向异性较小,晶粒形状由尖角多面体转变为近球状体,而且Mo 2NiB 2晶粒的分布更加均匀,从而提高了Mo 2NiB 2基金属陶瓷的抗弯强・25・材料导报 2007年7月第21卷第7期度[3,9]。

Cr 、V 的添加还能提高Mo 2NiB 2基金属陶瓷的耐高温能力,随着温度的升高,Mo 2NiB 2基金属陶瓷的抗弯强度及硬度降低得比较缓慢,而硬质合金的抗弯强度和硬度到600℃左右就开始剧烈下降[9]。

同时,Cr 的加入能提高金属陶瓷的耐腐蚀性能[7],其最佳添加量为10mass %,过量添加会导致Mo 2NiB 2晶粒粗化,严重降低机械性能[8]。

而V 的添加量直至12.5mass %时,抗弯强度仍不断提高[8]。

Mo 2NiB 2基金属陶瓷的硬度则随着Cr 、V 含量的增加不断提高[8]。

Fe 、Co 、Ti 、Mn 、Zr 、Nb 、W 与Cr 、V 不同,不能置换Mo 2NiB 2中的Ni 元素以形成固溶体,只会生成金属间隙化合物,产生硬脆的第三相,降低金属陶瓷的机械性能。

Fe 和Co 的添加会生成微量第三相,XRD 无法辨别。

Ti 和Zr 的添加会导致晶粒粗大,同时生成大量含Ti 以及少量含Zr 的第三相,并出现残余气孔。

Mn 的添加,除了使晶粒粗大之外,还会生成少量含Mn 的碳化物。

Nb 和W 的添加会导致Mo 2NiB 2晶粒粗化严重,并在Mo 2NiB 2晶粒之间产生第三相。

以上合金元素对Mo 2NiB 2基金属陶瓷抗弯强度和硬度的影响如图1所示[8]。

图1　不同合金元素的添加对Mo 2NiB 2基金属陶瓷抗弯强度(a)和硬度(b)的影响Fig.1　T ransverse rupture strength (a)and hardness (b)ofMo 2NiB 2b ase cermet with metal addition 以上多数合金元素的添加能提高Mo 2NiB 2基金属陶瓷的硬度,但是只有Cr 、V 元素不仅能提高其硬度,而且还可以提高其抗弯强度。

但在某些情况下,采用多种金属复合添加,其它合金元素也能提高Mo 2NiB 2基金属陶瓷的抗弯强度[3]。

Ken 2ichi Takagi 在Ni 24.5B 246.9Mo 212.5V (mass %)金属陶瓷中加入少量Mn ,提高了Ni 基合金液相对硬质相的润湿性,细化了三元硼化物晶粒,并提高了粘结相与硬质相界面的结合强度,使Mo 2NiB 2基金属陶瓷的抗弯强度最高达到3500MPa ,硬度则随着Mn 含量的增加不断提高[3]。

通过调整Mo 2NiB 2的Mo/B 原子比,能改善Mo 2NiB 2基金属陶瓷的性能。

随Mo 含量的变化,Mo 2NiB 2的晶体结构会发生改变。

当Mo/B =0.8～1.0时,斜方和正方晶系的Mo 2NiB 2同时存在。

当Mo/B =1.2时,仅存在正方晶系的Mo 2NiB 2。

当Mo/B 原子比继续增大时,正方晶系Mo 2NiB 2的晶体结构由M 3B 2型转变为M 5B 3型[10]。

斜方晶系Mo 2NiB 2的晶粒形状呈尖角多面体,而正方晶系M 5B 3型Mo 2NiB 2的形成会导致晶粒粗大,从而降低Mo 2NiB 2基金属陶瓷的机械性能。

合适的Mo/B 原子比为1.2,因为正方晶系Mo 2NiB 2的晶粒细小,而且分布均匀,对机械性能的提高有利[10]。

1.3　耐磨及耐腐蚀性能在摩擦过程中,Mo 2NiB 2基金属陶瓷的摩擦界面处会生成少量B 、Mo 、Ni 的氧化物,产生自润滑作用,提高耐磨性,并降低对配对材料的冲击,从而在使自身磨损量减少的同时,降低了配对材料的磨损量[9]。

驹井正雄等比较了Mo 2NiB 2基金属陶瓷与硬质合金、粉末高速钢、不锈钢SUS405、SUS440C 、SUS316L 、SKD11的耐磨性,硬质合金虽然自身磨损量较少,但配对材料的磨损量是Mo 2NiB 2基金属陶瓷的5倍,粉末高速钢和不锈钢及其配对材料的磨损均相当严重[9]。

由于Ni 的存在,Mo 2NiB 2基金属陶瓷具有优良的耐腐蚀性,但对于非氧化性酸溶液有易腐蚀的缺陷。

通过添加Cr ,能够提高Mo 2NiB 2基金属陶瓷在非氧化性酸溶液中的耐腐蚀能力[9]。

在盐酸溶液中,Mo 2NiB 2基金属陶瓷的腐蚀量仅为粉末高速钢、各种不锈钢的1/100～1/1000,与耐蚀镍基合金接近。

在硝酸、氢氟酸等腐蚀性溶液中,Mo 2NiB 2基金属陶瓷同样表现出优良的耐腐蚀性[9]。

同时,由于Cr 的添加,Mo 2NiB 2基金属陶瓷的高温抗氧化能力也得到提高。

在900℃静止空气中加热1h 后,含10mass %Cr 的Mo 2NiB 2基金属陶瓷的氧化增量不到SKD11的1/20,抗氧化能力与SUS304相当[9]。

2　Mo 2FeB 2基金属陶瓷2.1　显微组织Mo 2FeB 2基金属陶瓷以Mo 2FeB 2为硬质相,Fe 基合金为粘结相。