CN100503512C - 氮化金属陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

氮化金属陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料及其制备方法。采取优化材料成分、改进氮化处理工艺、形成梯度结构的手段进一步提高其表面硬度和心部韧性，该金属陶瓷的成分为：29≤TiC≤45，8≤TiN≤12，28≤Ni≤32，11≤Mo≤15，7≤WC≤10，0.5≤C≤1，0.5≤NbC≤1。其制备工艺为：将TiC与TiN粉末混合，通过机械合金化制备包括纳米级的Ti(C，N)固溶体的混合物，再将其与WC、NbC、Mo、Ni、C粉一起配制成符合上述成分的混合料，加入成型剂、压制成型；脱脂；烧结；高温高压氮化处理。所述材料具有高硬度，高抗弯强度，HV≥2000，σ_bb≥1800MPa。可用于刀具、拉丝模、压制模等。

Description

氮化金属陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料及其制备方法，特别涉及高温高压氮化Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在机械制造业中的应用，机械加工的辅助工时大为缩短，切削加工成为机械制造业提高加工效率的主要矛盾。为了进一步降低成本，减少切削液对环境的污染，高速干式切削成为当前机械制造业研究的重点，称为理想的绿色制造工艺方法。刀具材料是高速切削和干式切削必不可少的相关技术，具有较大的市场需求，因此，开发适合高速切削和干式切削的高性能刀具具有十分重要的意义。

目前，市场上高性能刀具多为采用物理气相沉积TiN制备的涂层硬质合金刀具，但反应出的问题是涂层硬质合金刀具的界面结合强度低，涂层易剥落，在较高的转速条件下，由于震动很大，这些牌号的刀具至今基本上没有得到实际运用。

Ti(C，N)基金属陶瓷不但具有较高的硬度、红硬性、优良的化学稳定性和抗氧化性、与金属间极低的摩擦系数和较强的抗冷焊磨损能力，而且还有较高的韧性和强度，非常适合用作刀具。但是其最大的缺点是制备过程中易产生裂纹，成品率较低。

发明内容

本发明提供一种氮化金属陶瓷，在保持Ti(C，N)基金属陶瓷优越性的下，有效消除材料裂纹，使产品的成品率提高，耐磨性能更高，具有较低的生产成本；本发明的另一目的是提供制备上述氮化金属陶瓷的方法，采取优化材料成分、改进氮化处理工艺、形成梯度结构的手段使此类材料在保持原有优越性的基础上，表面硬度提高，芯部具有较高韧性。

本发明的一种高温高压氮化金属陶瓷，其基体由硬质相和粘结相组成，其特征在于：硬质相包括六角WC、面心立方的碳化物TiC、(Ti，W)C、(Ti，Mo)C、NbC、氮化钛TiN和碳氮化钛Ti(C，N)，它们形成四组分碳氮化物；粘结相包括Ni和烧结时来自硬质相的元素；其成分重量百分比为：29wt％≤TiC≤45wt％，8wt％≤TiN≤12wt％，28wt％≤Ni≤32wt％，11wt％≤Mo≤15wt％，7wt％≤WC≤10wt％，0.5wt％≤C≤1wt％，0.5wt％≤NbC≤1wt％，该金属陶瓷的金相组织在扫描电子显微镜下可观察到包括黑色芯相、白色芯相、灰色环形相和白色粘结相。

所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)将所述重量配比的TiC与TiN粉末混合，用机械合金化制备包括纳米级的Ti(C，N)固溶体的混合物，再将其与WC、NbC、Mo、Ni、C粉一起配制成符合最终重量比例的混合料；

(2)加入成型剂，压制成型，脱脂；

(3)经真空烧结和高温高压氮化处理而成。

所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法，其进一步的特征为：

(1)机械合金化在球磨机中进行；

(2)所加入成型剂为聚乙烯醇；

(3)脱脂工序在真空炉中进行；

(4)高温高压氮化处理在氮气中进行。

所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法，其更进一步特征为：

(1)机械合金化过程所用转速为240—350rpm，时间为96—132h；

(2)成型剂加入比例为混合料的4wt％—8wt％，压制成型所用压力为160—300MPa；

(3)脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，在450—600℃之间保温6—10h；

(4)真空烧结的真空度高于1.0×10^-1Pa，烧结温度为1410—1430℃，保温时间为50—90min；

(5)高温高压氮化处理过程中所用氮气压力为90—130MPa，处理温度1100—1300℃，时间为60—120min。

对材料进行表面处理可消除表面裂纹、降低表面刚度、增加裂纹扩展能和在表面区域产生一个残余压应力等作用，对刀具材料进行表面处理可显著提高切削加工性能。在保持Ti(C，N)基金属陶瓷优越性的前提下，对其进行高温高压氮化处理，可有效消除材料制备过程中产生的裂纹，使产品的成品率提高，获得表面为金黄色的TiN，从表层至心部材料成分、性能呈梯度分布的梯度材料，而且由于NbC的加入，使金属陶瓷的晶粒保持细小，所获得的氮化金属陶瓷刀具综合性能优异。

高温高压氮化Ti(C，N)基金属陶瓷与涂层硬质合金相比，它在以下方面具有明显的优势：有较高的切削速度；被加工工件有较好的表面性能；耐磨性能更高；其梯度结构使各项性能从材料表面至心部过渡平缓，没有明显的界面，这样就不存在界面结合强度和涂层剥落问题；节约价格昂贵的WC、Co资源，在达到与涂层硬质合金相同性能的条件下，具有较低的生产成本。因此，高温高压氮化Ti(C，N)基金属陶瓷可以填补国内刀具市场上高性能刀具的空白，其应用领域还可以扩展到模具市场。

本发明的高温高压氮化Ti(C，N)基金属陶瓷，其HV≥2000，σ_bb≥1800MPa，不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数、较强的抗冷焊磨损能力等优点外，其表面高硬度与心部高韧性使其具有优良的综合机械性能，作为刀具不但可以在震动不大的先进机床上运用，还可以用于国内普通的机床，与相同硬度的硬质合金相比，其可以允许进刀量提高2—4倍，切削速度提高2倍以上。由于强韧性比较优越，其还可用来作拉丝模、压制模等模具。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明的技术效果。

表1是4种成分配方的混合料，分别采用不同的工艺参数将其制备成金属陶瓷，并分别测定其主要性能硬度和抗弯强度。

表1  4种混合料的成分重量配比

实施例1：

机械合金化过程所用转速为280rpm，时间为98h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为4wt％，压制成型所用压力为200Mpa；

脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，保温温度为600℃，保温时间为10h。

真空烧结的真空度高于1.0×10^-1Pa，烧结温度为1410℃，保温时间为50min；

氮化处理的氮气压力为100MPa，处理温度为1300℃，保温时间为120min。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表2。

表2  采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例2：

机械合金化过程所用转速为310rpm，时间为120h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为6wt％，压制成型所用压力为220Mpa；

脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，保温温度为500℃，保温时间为6h。

真空烧结的真空度高于1.0×10^-1Pa，烧结温度为1415℃，保温时间为60min；

氮化处理的氮气压力为120MPa，处理温度为1100℃，保温时间为120min。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表3。

表3  采用工艺2制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例3：

机械合金化过程所用转速为350rpm，时间为122h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为8wt％，压制成型所用压力为280Mpa；

脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，保温温度为450℃，保温时间为8h。

真空烧结的真空度高于1.0×10^-1Pa，烧结温度为1420℃，保温时间为70min；

氮化处理的氮气压力为130MPa，处理温度为1200℃，保温时间为120min。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表4。

表4  采用工艺3制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例4：

机械合金化过程所用转速为280rpm，时间为98h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为4wt％，压制成型所用压力为200Mpa；

脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，保温温度为600℃，保温时间为10h。

真空烧结的真空度高于1.0×10^-1Pa，烧结温度为1430℃，保温时间为90min；

氮化处理的氮气压力为110MPa，处理温度为1300℃，保温时间为60min。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表5。

表5  采用工艺4制备出的不同金属陶瓷的性能

Claims (4)

1、一种高温高压氮化金属陶瓷，其基体由硬质相和粘结相组成，其特征在于：硬质相包括六角WC、面心立方的碳化物TiC、(Ti，W)C、(Ti，Mo)C、NbC、氮化钛TiN和碳氮化钛Ti(C，N)，它们形成四组分碳氮化物；粘结相包括Ni和烧结时来自硬质相的元素；其成分重量百分比为：29wt％≤TiC≤45wt％，8wt％≤TiN≤12wt％，28wt％≤Ni≤32wt％，11wt％≤Mo≤15wt％，7wt％≤WC≤10wt％，0.5wt％≤C≤1wt％，0.5wt％≤NbC≤1wt％，该金属陶瓷的金相组织在扫描电子显微镜下可观察到包括黑色芯相、白色芯相、灰色环形相和白色粘结相。

2、权利要求1所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)将所述重量配比的TiC与TiN粉末混合，用机械合金化制备包括纳米级的Ti(C，N)固溶体的混合物，再将其与WC、NbC、Mo、Ni、C粉一起配制成符合最终重量比例的混合料；

(2)加入成型剂，压制成型，脱脂；

(3)经真空烧结和高温高压氮化处理而成。

3、如权利要求2所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法，其特征为：

(1)机械合金化在球磨机中进行；

(2)所加入成型剂为聚乙烯醇；

(3)脱脂工序在真空炉中进行；

(4)高温高压氮化处理在氮气中进行。

4、如权利要求3所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法，其特征为：

(1)机械合金化过程所用转速为240—350rpm，时间为96—132h；

(2)成型剂加入比例为混合料的4wt％—8wt％，压制成型所用压力为160—300MPa；

(3)脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，在450—600℃之间保温6—10h；

(4)真空烧结的真空度高于1.0×10^-1Pa，烧结温度为1410—1430℃，保温时间为50—90min；

(5)高温高压氮化处理过程中所用氮气压力为90—130MPa，处理温度1100—1300℃，时间为60—120min。