CN101210291A - 一种超细晶粒金属陶瓷的生产方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于一种生产超细晶粒金属陶瓷的方法。包括以TiH₂、Ti、Ta、W、V、Mo、Ni、CO为原料，经熔制预合金并将其破碎及球磨后、配碳、碳氮化处理、烧结，从而制得晶粒度≤0.8μm，抗弯强度≥2050MPa、硬度≥90HRA的超细金属陶瓷制品。该发明由于采用TiH₂代替大部分Ti粉既作原料、又作还原剂，以除去原料粉及球磨中吸附的氧、避免其进入固溶体，而TiH₂分解后的Ti活性更高，更易与其它金属形成金属间化合物，并消除了脆性环形相从而克服了背景技术或制品晶粒度大、影响制品综合性能的提高；或含氧量高且进入固体而无法脱除，使合金变脆等弊端。采用该发明方法生产的金属陶瓷具有良好的综合性能，可广泛地用于传统硬质合金应用领域。

Description

一种超细晶粒金属陶瓷的生产方法

技术领域

本发明属于碳氮化钛TiC(N)金属陶瓷的生产方法，特别是一种采用氢化钛(TiH₂)等为主原料生产金属陶瓷的方法，采用该方法生产的金属陶瓷具有硬质合金的优良性能，可广泛替代传统硬质合应用其工作(生产)领域。

背景技术

Ti基金属陶瓷问世于1929年，但由于脆性大，其推广应用受到限制。传统Ti基金属陶瓷的生产方法(流程)是：原料TiC(N)等→湿磨干燥→加成型剂压制成型→真空脱胶(蜡)→真空烧结→后加工得成品。采用此类方法由于存在典型的溶解——析出机制，使金属陶瓷中不可避免的形成了环形相(脆性相)、亦称包覆相或ss相，此种环形结构的存在始终制约了Ti(C，N)、TiC基等金属陶瓷的性能、加之该方法所生产的金属陶瓷晶粒较粗，影响其强度的提高；致使其不能在传统的硬质合金应用领域内得到更广泛的应用。针对上述弊端，在专利号为US5,137,565发明名称为《一种制备极细晶粒碳氮化钛合金的方法》的美国专利文献中公开了一种以Ti、Ta、V、W、Co、Ni等粉末为原料，首先经过球磨细化、混合后，将其熔炼成脆性金属间化合物，然后将熔炼后的坯块破碎、球磨，获得粒度小于50μm的预合金粉，再经碳氮化处理得平均粒度小于0.2μm、其粉末周围环绕着粘结金属的复合粉，然后再将该复合粉球磨混合、压坯、真空或低压烧结，从而制得金属陶瓷制品。该方法虽然消除了陶瓷制品中的环行相并能制得超细金属陶瓷；但由于球磨后混合粉料中的氧含量增高，又没加入还原剂，致使Ti、Ta、V、W、Co、Ni等金属粉内所含氧都无法脱掉，在碳氮化时极易形成(Ti、W、Ta、V)(C、N、O)，在烧结过程中氧进入固溶体且无法脱除，最终使合金变脆，而仍不能获得高性能的金属陶瓷。在申请号为03124597、发明名称为《TiC硬质合金》的专利文献则公开了一种采用Fe、Ni、Ti或其预合金粉与TiC粉混合，首先在氮气保护及1200℃温度下预烧，然后在1400℃温度下进行真空烧结，而制得晶粒度为1.6～3.0μm的无环形结构(包覆相)TiC制品。该技术虽然通过在N₂中烧结，使粘结相中的Ti和N₂发生反应，然后在真空烧结中形成TiC-TiN固溶体并大量溶解于粘结相中，从而抑制了溶解-析出机机制的产生，破坏了环形相的生成条件，一定程度上提高了制品的性能，但由于直接采用TiC粉为主要原料、在烧结过程中其晶粒不能被细化，因而存在制品的晶粒度大、影响制品综合性能的提高等缺陷。

发明内容

本发明的目的是研究设计一种超细晶粒金属陶瓷的生产方法，采用该方法可抑制制品中脆性环形相的产生并细化晶粒；达到生产高性能超细金属陶瓷，以广泛替代传统硬质金应用其工作及生产领域、节约钨资源等目的。

本发明的解决方案是针对背景技术存在的缺陷，采用TiH₂代替大部分Ti粉既作原料、又作还原剂，利用氢化钛(TiH₂)分解出的H⁺还原其它金属中含的及吸附的氧，分解后的Ti具有更高的活性、又能更好地与其金属形成金属间化合物。因此本发明方法包括：

A.熔制预合金：首先将TiH₂ 30～50wt％，Ti 20～30wt％，Ta 1～10wt％，W3～10wt％，V 2～10wt％，Ni 5～20wt％，Co 2～12wt％的原料粉置于球磨机内、球磨8～24小时至粒度≤50μm止，然后将混合粉料送入真空熔炼炉内，在氩气保护及1380～1460℃温度下熔炼1～2.5小时，得预合金块，炉内真空度为100～350mbr；

B.破碎及球磨：将由A工序所得预合金块破碎后，送入球磨机内球磨16～32小时、至粒径≤50μm止，球料比为3～5∶1；

C.配碳：以B工序所得粉料中的Ti、Ta、W、V的总含量计，加入将其完全碳化所需理论含碳量80～100wt％的碳黑粉，球磨16～32小时；

D.碳氮化处理：将配碳后的粉料置于石墨舟皿中并送入碳氮化处理炉内，在氮气气氛及850～1150℃温度下进行碳氮化处理2.0～4.0小时，得平均晶粒度≤0.2μm的Ti(C、N)粉料；

E.烧结：将所得Ti(C、N)粉料送入球磨机内湿磨18～72小时，然后经常规干燥、掺胶、压坯、成型，最后送入烧结炉内、在1380～1480℃温度下真空烧结1.0～3.0小时，随炉冷却即得目的物。

上述熔制预合金时，在成份中还加入了原料粉总重量1～10wt％的镀Mo粉、与此相应在配碳时，所配碳量按Ti、Ta、W、V、Mo完全碳化所需理论碳量的80～100wt％计。

本发明由于在熔制预合金前的配料中以TiH₂代替大部分金属Ti，既作为原料、又作为还原剂，在预合金制备过程中TiH₂分解出的H⁺不但可还原粉料中的氧及球磨过程中吸附的氧，避免其进入固溶体内；而且TiH₂分解后的Ti活性更高，能更好地与其它金属形成金属间化合物；此外，先将Ti、V、Mo、Co、Ni等金属熔制成Ti高度弥散的预合金粉，在碳氮化时(Ti、W、V、Ta、Mo)(C、N)核几乎没有长大的空间，而在粘结金属Co、Ni中溶解入了饱和的碳氮化物、在烧结时也不会发生溶解-析出现象，避免了脆性环形相的产生；从而可获得高性能的超细金属陶瓷制品。采用本发明方法生产出的金属陶瓷制品，晶粒度≤0.8μm，在抗弯强≥2050Mpa时其硬度≥90HRA，可广泛地代替传统硬质合金制品应用其工作领域。

具体实施方式

方式1：以每批配制100kg预合金基础料为例：

A.熔制预合金：首先将20.0kgTi，50.0kgTiH₂，2.2kgTa，V、W、Co：各6.0kg及10.0kgNi的粉料送入球磨机内，球磨混合16小时，球料比为3.5∶1；然后将混合粉料送入真空感应炉内、在1420℃±20℃及氩气保护和300mbar真空的条件下熔炼1.5小时，得预合金块；

B.破碎及球磨：将所得预合金块径鳄式破碎机破碎成直径≤5mm的小块后、送入球磨机内球磨3小时、至颗粒度≤50μm得预合金粉料，球料比为3.5∶1；

C.配碳：将由B工序所得预合金粉料及15kg碳黑置于球磨机内球磨混合24小时；

D.碳氮化处理：将配碳后的物料置于各石墨舟皿内，并送入耐热管炉中，在氮气氛及1000℃±10℃温度下处理3小时，得平均晶粒度≤0.2μm的超细晶粒Ti(C、N)粉末；

E.烧结：将经碳氮化处理后的粉末再送入球磨机内湿磨48小时后，再经常规真空干燥、掺胶混合、压坯后；送入烧结炉内、在真空度300mbr及1430℃±10℃温度下烧结2.0小时，随炉冷却后即得制成品。

经检测：制品晶粒度≤0.6μm、抗弯强度≥2080Mpa、硬度≥91HRA。

实施例2：

A.熔制预合金：将原料粉Ti 22.0kg，TiH₂ 46.0kg，Ta 2.0kg，W 3.0kg，V、Co：各6.0kg，Mo、Ni：各8.0kg一并置于球磨机内；此后球磨、熔炼以及B工序的破碎及球磨均与实施例1相同；

C.配碳：将由B工序所得预合金粉及15.5kg碳黑粉送球磨机内湿磨24小时至颗粒度≤50μm，球料比为4∶1；

以下的D.碳氮化处理及E.烧结工序亦均与实施例1相同。

所得制品经检测：晶粒度≤0.8μm，抗弯强度≥2200Mpa、硬度≥90HRA。

Claims (2)

1.一种超细晶粒金属陶瓷的生产方法，包括：

A.熔制预合金：首先将TiH₂ 30～50wt％，Ti 20～30wt％，Ta 1～10wt％，W 3～10wt％，V 2～10wt％，Ni 5～20wt％，Co 2～12wt％的原料粉置于球磨机内、球磨8～24小时至粒度≤50μm止，然后将粉料送入真空熔炼炉内、在氩气保护及1380～1460℃温度下熔炼1～2.5小时，得预合金块，炉内真空度为100～350mbr；

B.破碎及球磨：将由A工序得预合金块破碎后送入球磨机内球磨16～32小时、至颗粒度≤50μm，球料比为3～5∶1；

C.配碳：以B工序所得粉料中的Ti、Ta、W、V的总含量计，加入将其完全碳化所需理论含碳量80～100wt％的碳黑粉，球磨16～32小时；

D.碳氮化处理：将配碳后的粉料置于石墨舟皿中并送入碳氮化处理炉内，在氮气氛及850～1150℃温度下进行碳氮化处理2.0～4.0小时，得平均晶粒度≤0.2μm的Ti(C、N)粉料；

E.烧结：将所得Ti(C、N)粉料送入球磨机内湿磨18～72小时，然后经常规干燥、掺胶、压坯成型，最后送入烧结炉内、在1380～1480℃温度下真空烧结1.0～3.0小时，随炉冷却。

2.按权利要求1所述超晶粒金属陶瓷的生产方法；其特征在于熔制预合金时，成份中还加入了原料粉总重量1～10wt％的金属Mo粉；在配碳时，所配碳量则按Ti、Ta、W、V、Mo完全碳化所需理论碳量的80～100wt％计。