CN101333616B

CN101333616B - 一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法

Info

Publication number: CN101333616B
Application number: CN2008100486550A
Authority: CN
Inventors: 熊惟皓; 瞿峻; 杨青青; 柯阳林; 叶大萌; 姚振华
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: CN101333616A

Abstract

一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法，属于金属陶瓷材料。将TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr₃C₂和石墨粉末作为基体材料混合球磨，再加入镀镍SiC晶须经球磨混料、模压成型、脱脂和烧结制成，最终生成相中硬质相为Ti(C，N)、粘结相为Ni、增韧相为SiC。本发明的制备方法，包括SiC晶须表面镀镍、原料混合、模压成型、脱脂和真空烧结步骤。本发明的金属陶瓷物相组成为Ti(C，N)、Ni和SiC。其硬度90.5～92.8HRA，抗弯强度≥1800MPa，断裂韧性K_IC≥10.0MPa.m^1/2。其高温红硬性、耐磨性、化学稳定性和抗冲击韧性好，切削温度高，适合高速高效切削加工。

Description

一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料，具体涉及一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法。

背景技术

Ti(C，N)基金属陶瓷是20世纪70年代出现的以难熔金属间化合物TiC和TiN作硬质相、铁族金属Ni或者Ni加Co作粘结相的一种新型颗粒增强型复合材料，与WC-Co硬质合金相比，其高温红硬性、耐磨性、热稳定性、抗粘附性和抗熔焊性好，切削温度高，且具有自润滑性能，主要原料储量丰富，密度低，因此，它是制作高速高效切削刀具、热挤压模具、各类发动机高温部件、石化工业中各种密封环和阀门等的理想工程材料。为此，世界工业发达国家尤其是物质资源匮乏的日本，高度重视金属陶瓷基础研究及其产品研发，其中日本在这一研发领域处于世界领先水平。据日本超硬工具协会统计，20世纪90年代初Ti(C，N)基金属陶瓷刀具占日本硬质材料刀具总量的30％以上，使用范围已从最初的车刀、面铣刀扩展至钻头、齿轮滚铣刀及其它工具。与工业发达国家相比，我国金属陶瓷的研究起步较晚。“八·五”期间，一些单位研制了多种牌号Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，但因其性能不稳定，特别是抗震性较差，并未获得实际推广应用。

然而，Ti(C，N)基金属陶瓷仍属于脆性材料，往往沿硬质相与粘结相的界面脱开或断裂，因此，如何提高其强韧性是一个世界性的技术难题。近年来，研究工作者为了提高结构陶瓷复合材料的强韧性，采用了相变增韧、纳米颗粒强化、晶须增韧等方法，公开号CN101092304A发明专利“SiC晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片及其制备方法”采用的是无表面涂覆的SiC晶须，采用的是Ti(CN)固溶体作为硬质相原料，同时加入Co。但增韧效果不是很明显。

发明内容

本发明提供一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法，采用镀镍的SiC晶须作为增韧材料，目的是提高SiC晶须与金属陶瓷基体的润湿性，以提高金属陶瓷刀具的抗弯强度和断裂韧性。

本发明的一种晶须增韧金属陶瓷刀具，将TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr₃C₂和石墨粉末作为基体材料混合球磨，再加入镀镍SiC晶须经球磨混料、模压成型、脱脂和烧结制成，最终生成相中硬质相为Ti(C，N)、粘结相为Ni、增韧相为SiC；

基体材料中各元素重量百分比为：38≤Ti≤49，7.5≤C≤12，2≤N≤3，15≤Ni≤25，5≤W≤14，11≤Mo≤15，0.8≤Cr≤1.2；镀镍SiC晶须与基体材料的重量百分比为2∶98～10∶90。

所述的一种晶须增韧金属陶瓷刀具，其特征在于其基体材料成分中添加NbC和TaC，其中元素Nb、Ta占添加后基体材料各元素总重量百分比为：0.2≤Nb≤2，1≤Ta≤10。

本发明一种晶须增韧金属陶瓷刀具的制备方法，包括下述步骤：

(1)SiC晶须表面镀镍步骤：在SiC晶须表面化学镀镍，其中SiC晶须装载量为1～3g/L，过程如下：

(1.1)纯化：将SiC晶须在体积比为1∶1～1∶3的HNO₃和H₂O混合溶液中搅拌，并用超声波分散，加热煮沸70min～100min，清洗后再在体积比为1∶1～5∶3的HCl和H₂O混合溶液中搅拌，并用超声波分散，加热煮沸50min～70min，再用去离子水冲洗过滤后得到纯化的SiC晶须；

(1.2)敏化：将纯化的SiC晶须在按每升溶液中质量比为10克∶40克～30克∶40克的SnCl₂·2H₂O和HCl混合溶液中进行搅拌，并用超声波分散30～50min，再用去离子水洗涤后得到敏化的SiC晶须；

(1.3)活化：将敏化的SiC晶须在按每升溶液中质量比为0.3克∶0.25克～0.5克∶0.5克的PdCl₂和HCl混合溶液中进行搅拌，并用超声波分散30～50min，再用去离子水洗涤后得到活化的SiC晶须；

(1.4)化学镀镍：将经过以上处理后的SiC晶须加到镀镍液中，通过化学沉积实现SiC晶须表面镀镍，镀镍液配比为：

通过氨水调节镀镍液PH值到4.5～6，控制镀镍液温度为30℃～50℃，反应时间10～30min，并通过搅拌和超声波分散，再经清洗干燥；

(2)原料混合步骤：将能满足所述重量百分比的TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr₃C₂和石墨粉末混合作为基体材料，投入到球磨罐中采用硬质合金球在行星式球磨机上进行湿磨，时间24～36小时，转速180～250rpm；再加入满足所述重量百分比的镀镍SiC晶须在行星式球磨机上进行球磨混合均匀，时间4～8小时，转速180～250rpm；

(3)模压成型步骤：加入3wt％～8wt％的成型剂聚乙烯醇，采用模压成型，模压压力150～300MPa；

(4)脱脂步骤：采用真空烧结炉进行脱脂，真空度高于5Pa，脱脂温度200℃～400℃，保温时间4～8h；

(5)真空烧结步骤：采用真空烧结炉进行烧结，真空度不低于1×10^-1Pa，烧结温度1430℃～1470℃，保温时间50～80min。

所述的一种晶须增韧金属陶瓷刀具的制备方法，其特征在于所述原料混合步骤中，基体材料成分中添加NbC、TaC，其中元素Nb、Ta占添加后基体材料各元素总重量百分比为：0.2≤Nb≤2，1≤Ta≤10。

本发明采用Ni作为粘结相，不添加Co，目的是提高高温抗氧化性。用化学镀镍SiC晶须作为增韧材料，SiC晶须表面的Ni包覆层可以显著提高其与Ti(C，N)金属陶瓷基体的润湿性，以提高金属陶瓷的韧性。以TiC和TiN作为硬质相原料，无需固溶，降低成本，在烧结过程中即可得到Ti(C，N)固溶体；同时，由于Ni的抗氧化性能比Co强，采用Ni作为粘结相可以提高高温抗氧化性，更适于高速高效干式切削；制备方法简单，实施经济；如再添加NbC、TaC，可进一步提高材料性能。

本发明所制造的晶须增韧金属陶瓷刀具，其硬度90.5～92.8HRA，抗弯强度≥1800MPa，断裂韧性K_IC≥10.0MPa.m^1/2。其高温红硬性、耐磨性、化学稳定性和抗冲击韧性好，切削温度高，适合高速高效切削加工，尤其适合高速干式铣削不锈钢、铁基高温合金、高强结构钢、耐磨铸钢和玻封合金等难切削材料，在汽车、航空、航天和能源装备等制造行业具有很好的推广应用前景。

具体实施方式

实施例1：

采用市售的SiC晶须，其中SiC晶须平均直径为5～100nm，长度200～800nm，熔点2700℃，理论密度3.2g/cm³，弹性模量414GPa，热膨胀系数3.28×10^-6K^-1。将SiC晶须分为6组，编号为101、102、103、104、105和106。其中101和102装载量为1g/L；103和104装载量为2g/L；105和106装载量为3g/L。

1.SiC晶须表面镀镍：按以下方式进行表面化学镀镍。

(1)纯化：将SiC晶须在如表1所示第1栏的混合溶液中搅拌和超声波进行分散，按第2栏的时间加热煮沸，清洗后再在如表1所示第3栏的混合溶液中搅拌和超声波进行分散，按第4栏的时间加热煮沸，再用去离子水充分冲洗过滤后即得到纯化的SiC晶须；

表1纯化处理工艺

(2)敏化：将纯化的SiC晶须在表2所示的混合溶液中搅拌，并按表2最后1栏的时间进行超声波分散，再用去离子水充分冲洗过滤后得到敏化的SiC晶须；

表2敏化处理工艺

(3)活化：将敏化后的SiC晶须在表3所示的混合溶液中搅拌，并按最后1栏的时间采用超声波进行分散，再用去离子水充分冲洗过滤后即得到活化的SiC晶须；

表3活化处理工艺

(4)化学镀镍：将经过活化处理后的SiC晶须加入到表4中的镀镍液中，通过化学沉积实现SiC晶须表面镀镍；

表4镀镍液配比

镀镍工艺参数如表5所示，按表5第1栏通过氨水来调节镀镍液PH值，按第2栏控制镀镍液温度，按第3栏控制反应时间，通过搅拌和超声波来进行分散，再经清洗后干燥；

表5化学镀镍工艺参数

2.原料混合：采用市售的TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr₃C₂和石墨粉末，按照重量百分比44.1wt.％Ti-12wt.％C-2.8wt.％N-15wt.％Ni-8wt.％W-14.9wt.％Mo-1.2wt.％Cr进行配料混合作为基体材料，分为等份的6组；先将配好的6组基体材料的原料粉末采用行星式球磨机湿磨混料，时间为24小时，转速250rpm；再将上述101、102、103、104、105和106号镀镍SiC晶须，按照镀镍SiC晶须与基体材料的重量百分比为4∶96进行配料，对应加入到所述6组基体材料的球磨罐中，构成A01、A02、A03、A04、A05和A06共六组混合粉末，再球磨混料4小时，转速200rpm。

3.模压成型：将上述A01、A02、A03、A04、A05和A06组磨好后的混合粉末各添加8wt％的成型剂聚乙烯醇，混合后造粒，采用模压成型，单向压制压力为150MPa。

4.脱脂：采用真空烧结炉进行脱脂，在真空度高于5Pa下进行。脱脂温度300℃，保温时间6h。

5.真空烧结：采用真空烧结炉进行烧结，烧结温度为1455℃，保温时间60min；真空度不低于1.0×10^-1Pa，得到各组金属陶瓷的力学性能如表6所示。

表6晶须增韧金属陶瓷力学性能

实施例2：

1.SiC晶须表面镀镍：采用实施例1中的市售SiC晶须，按照实施例1中101～106号SiC晶须镀镍工艺对SiC晶须表面进行化学镀镍处理。

2.原料混合：基体材料与镀镍SiC晶须按表7进行配料。

表7晶须增韧金属陶瓷成分

球磨混料工艺如表8所示。

表8球磨混料工艺

3.模压成型、脱脂：将磨好后的粉末添加聚乙烯醇成型剂，添加量混合后造粒，采用模压成型。再采用真空烧结炉进行脱脂，在真空度高于5Pa下进行。模压成型与脱脂工艺如表9所示。

表9模压成型与脱脂工艺

4.真空烧结：采用真空烧结炉进行烧结，其真空度不低于1.0×10^-1Pa，烧结工艺如表10所示。

表10真空烧结工艺

各金属陶瓷的力学性能如表11所示。

表11晶须增韧金属陶瓷力学性能

实施例3：

进一步添加NbC、TaC。采用实施例1中的市售SiC晶须，按照实施例1中101～106号SiC晶须镀镍工艺对SiC晶须表面进行化学镀镍处理。基体材料与镀镍SiC晶须按表12进行配料。

表12晶须增韧金属陶瓷成分

先将配好的C1～C8共8组基体材料的原料粉末采用行星式球磨机湿磨混料，时间为24小时，球磨转速250rpm，再对应加入如表12所示的镀镍SiC晶须，再球磨混料6小时，球磨转速200rpm。

将磨好后的粉末添加7wt％的成型剂聚乙烯醇，混合后造粒，采用模压成型单向压制力为150MPa。

采用真空烧结炉进行脱脂，在真空度高于5Pa下进行。脱脂温度300℃，保温时间6h。

采用真空烧结炉进行烧结，其真空度不低于1.0×10^-1Pa。烧结工艺如表13所示。

表13真空烧结工艺

各组金属陶瓷的力学性能如表14所示。

表14晶须增韧金属陶瓷力学性能

Claims

1.一种晶须增韧金属陶瓷刀具，将TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr₃C₂和石墨粉末作为基体材料混合球磨，再加入镀镍SiC晶须经球磨混料、模压成型、脱脂和烧结制成，最终生成相中硬质相为Ti(C，N)、粘结相为Ni、增韧相为SiC；其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种晶须增韧金属陶瓷刀具，其特征在于其基体材料成分中添加NbC和TaC，其中元素Nb、Ta占添加后基体材料各元素总重量百分比为：0.2≤Nb≤2，1≤Ta≤10。

3.一种权利要求1所述晶须增韧金属陶瓷刀具的制备方法，包括下述步骤：

(1.1)纯化：将SiC晶须在体积比为1∶1～1∶3的HNO₃和H₂O混合溶液中搅拌，并用超声波分散，加热煮沸70min～100min，清洗后再在体积比为1∶1～5∶3的HCl和H₂O混合溶液中搅拌，并用超声波分散，加热煮沸50min～70min，再用去离子水冲洗过滤后得到纯化的SiC晶须；(1.2)敏化：将纯化的SiC晶须在按每升溶液中质量比为10克∶40克～30克∶40克的SnCl₂·2H₂O和HCl混合溶液中进行搅拌，并用超声波分散30～50min，再用去离子水洗涤后得到敏化的SiC晶须；

4.如权利要求3所述的晶须增韧金属陶瓷刀具的制备方法，其特征在于所述原料混合步骤中，基体材料成分中添加NbC、TaC，其中元素Nb、Ta占添加后基体材料各元素总重量百分比为：0.2≤Nb≤2，1≤Ta≤10。