CN101565790A

CN101565790A - 梯度结构纳米碳管增强的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN101565790A
Application number: CNA2009100329624A
Authority: CN
Inventors: 郑勇; 钟杰; 张一欣; 余海州; 袁泉; 吴鹏
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2009-10-28

Abstract

一种梯度结构纳米碳管增强的Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法，属于金属基复合材料及其制备方法。该金属陶瓷成分质量份数为：C为6.5～8.0，其中0.5－1.0的碳由纳米碳管引入，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为20～32，Mo为10～18，W为6～10。该金属陶瓷的制备工艺依次如下：将原料配制成符合上述成份的混合料，然后经混料、添加成型剂、压制成型、脱脂、真空烧结得到烧结体。再将该烧结体置于双层辉光等离子渗碳炉进行渗碳处理。源极材料为纯度高于96％的高纯石墨，所用氩气纯度≥99.0％，充入炉内氩气压力为20－40Pa，处理温度为1100－1200℃，处理时间为90－180min。所述材料具有高的抗弯强度、表面具有高的硬度：σ_b≥1850MPa，HRA≥93.0。可用于刀具、拉丝模、压制模等。

Description

梯度结构纳米碳管增强的Ti(C，N)基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，涉及梯度结构纳米碳管增强的Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

Ti(C，N)基金属陶瓷由于具有高的硬度、耐磨性、红硬性，优良的化学稳定性、以及优异的抗蠕变性能，而且与金属间的摩擦系数也很低。如用着刀具，与当前加工业中使用最广泛的硬质合金和涂层硬质合金相比，它在以下几个方面有明显的优势：它可以允许有更高的切削速度，有更大的进刀量，被加工件有较好的表面性能，耐磨性能更高。另外，这种材料不含Co这种战略性物质，也不含WC这种较贵的化合物，所用原材料均为常用的、较易获得的元素，其制造成本比硬质合金要便宜许多。该材料是硬质合金的理想升级替代材料，在日本、瑞典的刀具行业已得到大量运用。目前日本市场的主要牌号见表1。我国近年来也投入大量力量并已研制出一些牌号的Ti(C，N)基金属陶刀具，但性能不稳定，与国外的材料相比，其强度偏低，在较高的切削速度条件下，极易崩刃，因而这些牌号的金属陶瓷刀具至今基本上没有得到实际运用。表2为中国市场上正在试用的几种金属陶瓷的牌号和性能。显然其综合性能明显低于日本市场上常用的金属陶瓷刀具的性能。

表1日本市场上常用的金属陶瓷的牌号和性能

牌号	N302	N308	N310	N350
牌号	N302	N308	N310	N350	主要性能	高耐磨性	高韧性	更高韧性	更高韧性
组成	TiCN-WC-TaC	TiCN-WC-TaC	TiCN-WC-TaC	(Ti，W，Ta)CN系	主要性能	高耐磨性	高韧性	更高韧性	更高韧性
组成	TiCN-WC-TaC	TiCN-WC-TaC	TiCN-WC-TaC	(Ti，W，Ta)CN系	硬度HRA	93.0～94.0	91.0～92.0	91.0～92.0	91.5～92.5
抗弯强度/MPa	1200～1400	1600～1800	1700～1900	1700～1900	硬度HRA	93.0～94.0	91.0～92.0	91.0～92.0	91.5～92.5
抗弯强度/MPa	1200～1400	1600～1800	1700～1900	1700～1900	比重	6.4	7.0	7.0	7.0

表2中国市场上正在试用的几种金属陶瓷的牌号和性能

牌号	TN05	TN10	TN20	TN30
牌号	TN05	TN10	TN20	TN30	主要性能	高耐磨性	与TN05性能类似，韧性提高	韧性，耐磨性等较好	韧性，耐磨性等较好
硬度	≥93	≥92.5	≥91.5	≥90.5	主要性能	高耐磨性	与TN05性能类似，韧性提高	韧性，耐磨性等较好	韧性，耐磨性等较好
硬度	≥93	≥92.5	≥91.5	≥90.5	抗弯强度	1000	1200	≥1400	≥1550
比重	≥6.2	≥6.5	≥6.8	≥6.8	抗弯强度	1000	1200	≥1400	≥1550

目前中国刀具市场上大部分高档刀具均依赖进口，而进口刀具的成本相当昂贵，有时候还得配套进口机床，这使工件加工的成本大大增加。

因此，有必要对Ti(C，N)基金属陶瓷材料进行进一步的研究和开发，使其在具有很高的硬度、耐磨性、红硬性等优良性能的同时，也具有很高的强度。只有这样，才有可能使此种材料在国内刀具市场上得到运用，并将其应用到模具等其它行业。

传统的硬质合金和金属陶瓷总是存在着硬度和强韧性之间的矛盾。涂层刀具的出现，被认为是金属切削刀具技术发展史上的一次革命，是解决上述问题的一条重要途径。将超硬薄膜材料涂覆于金属切削刀具表面，正适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求。金属切削刀具基体保持了其较高的强度，表面涂层又能发挥它“超硬、高强、耐磨、自润滑”的优势，从而可以大大提高金属切削刀具在现代加工过程中的耐用度和高效性。而涂层制备成本较高、且涂层与基体之间存在明显的界面、在进行高速切削时，表面硬化层容易剥落，容易崩刃。并且由于不同材料的热膨胀系数不同，涂层工具材料在冷却过程中由于热应力的影响易产生裂纹，使涂层脱落，刀具失效。

鉴于上述情况，也有人发明了通过在高温氮气环境中进行表面氮化处理制备功能梯度金属陶瓷的方法，但该方法工艺过程较长，制备效率较低，且表面功能梯度层较薄。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的现状，提供一种表面具有很高的硬度、耐磨性、红硬性，而心部具有较高强度的梯度结构纳米碳管增强的Ti(C，N)基金属陶瓷及其高效制备方法。

为实现本目的，采用Ni含量相对较高、纳米碳管增强的、缺碳的非正常组织的Ti(C，N)基金属陶瓷为基体，然后采用双层辉光等离子渗碳法制备出表层的组织中富含Ti(C，N)硬质相，芯部富含Ni，硬质相和金属粘结相呈梯度分布的金属陶瓷。使材料的芯部具有较高的强度，表面具有较高的硬度和耐磨性。实现这一目的的Ti(C，N)基金属陶瓷，其特点是，在组成成分中，C、N含量较低，明显低于正常范围的金属陶瓷混合料，加入适量纳米碳管进行增强。本发明的另一目的是提供上述梯度结构纳米碳管增强的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特点是先配制符合成分要求的混合料，依次经混料、成型、脱脂、真空烧结得到烧结体，将其打磨和清洗后，装入双层辉光等离子渗碳炉中进行渗碳处理。

实现本发明的这种Ti(C，N)基金属陶瓷，其特征在于：其成份质量份数为：C为6.5～8.0，其中0.5-1.0的碳由纳米碳管引入，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为20～32，Mo为10～18，W为6～10。

本发明如前所述梯度结构纳米碳管增强的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)配制符合下述要求的混合料，其成份质量份数为：C为6.5～8.0，其中0.5-1.0的碳由纳米碳管引入，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为20～32，Mo为10～18，W为6～10；

(2)混料，混料工序在行星式球磨机中进行；

(3)加入成型剂，所加入的成型剂为聚乙烯醇，加入比例为混合料的3mass％-8mass％；

(4)压制成型，所用压制压力为250-320MPa；

(5)脱脂，在真空度高于10Pa的真空炉中进行，在200-400℃之间的升温速度为0.3-0.5℃/min；

(6)真空烧结，在真空烧结炉中进行，真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1410-1450℃，保温时间为40-80min；

(7)对经上述工序所得烧结体进行双层辉光等离子渗碳处理，在双层辉光等离子渗碳炉中进行，双层辉光等离子渗碳处理所用源极材料为蜂窝状纯度高于96％的高纯固体石墨，渗具采用双层保温圈洞穴法布置。双层辉光等离子渗碳处理过程中，所用氩气纯度≥99.0％，充入炉腔内氩气压力为20-40Pa，处理温度为1100-1200℃，处理时间为90-180min。

本发明的梯度结构纳米碳管增强的Ti(C，N)基金属陶瓷，梯度层厚度大于50μm，在15μm的表面硬化层范围内，其表面硬度HRA≥93.0，σ_b≥1850MPa，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等优点，而且其强韧性也很优良，作为刀具不但可以在稳定性好的先进机床上运用，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，在高速干式切削正火钢和淬火钢时，其耐用度均提高10倍以上；与涂层硬质合金相比，其成分和显微组织从材料表面至心部过渡平缓，没有明显的界面，不存在因界面结合强度低造成涂层剥落的问题；表面梯度层的厚度较厚，比目前常用技术所得硬质涂层的厚度大得多；该金属陶瓷可以节约昂贵的WC、Co等资源，与涂层硬质合金相比，其制造成本大大降低。另外，由于综合机械性能比较优越，其还可用来作拉丝模、压制模等模具。

附图说明

图1是蜂窝状石墨靶材示意图。

图2是双层辉光等离子渗碳渗具布置示意图。其中图2-1是源极靶材、工件与阴极座的相对位置；图2-2是工件在炉中的位置。

图中标号名称：1-源极靶材；2-工件；3-阴极座；4-工件；5-垫片；6-内层保温罩；7-外层保温罩；8-测温观察孔。

具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明的技术效果。以下实例所采用的原料为TiC、TiN、WC、Ni、Mo、纳米碳管。

表3是4种成分配方的混合料，其中0.5-1.0份的碳由纳米碳管引入。分别采用不同的工艺参数将其制备成梯度结构Ti(C，N)基金属陶瓷，并分别测定其表面硬度和抗弯强度。

表34种混合料的成分配比

实施例1：

配制混合料时，其中0.5份的碳由纳米碳管引入；

混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为160rpm，时间为24h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为3mass％，压制成型所用的压力为250MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200-400℃之间的升温速度为0.3℃/min；

真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1410℃，保温时间为60min。

双层辉光等离子渗碳处理所用氩气纯度≥99.0％，炉腔内充入氩气压力为为20Pa，处理温度为1100℃，处理时间为180min。

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1制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例2：

配制混合料时，其中0.75份的碳由纳米碳管引入；

混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180rpm，时间为16h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为5mass％，压制成型所用的压力为300MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200-400℃之间的升温速度为0.4℃/min；

真空烧结的真空度高于5.0×10^-2pa，烧结温度为1430℃，保温时间为80min。

双层辉光等离子渗碳处理所用氩气纯度≥99.0％，炉腔内充入氩气压力为为30Pa，处理温度为1100℃，处理时间为90min。

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1制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例3：

配制混合料时，其中1.0份的碳由纳米碳管引入；

混料工序中球磨机转速为220rpm，时间为12h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为5mass％，压制成型所用的压力为320MPa；

真空烧结的真空度高于5.0×10^-2pa，烧结温度为1450℃，保温时间为60min；

双层辉光等离子渗碳处理所用氩气纯度≥99.0％，炉腔内充入氩气压力为为40Pa，处理温度为1200℃，处理时间为90min。

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6。

表6采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例4：

配制混合料时，其中0.5份的碳由纳米碳管引入；

混料工序中球磨机转速为220rpm，时间为20h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为8mass％，压制成型所用的压力为300MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200-400℃之间的升温速度为0.5℃/min；

真空烧结的真空度高于5.0×10^-2pa，烧结温度为1430℃，保温时间为40min；

双层辉光等离子渗碳处理所用氩气纯度≥99.0％，炉腔内充入氩气压力为为30Pa，处理温度为1200℃，处理时间为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7。

表7采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能

当金属陶瓷基体中Ni含量较低时，经双层辉光等离子渗碳处理后所得梯度结构Ti(C，N)基金属陶瓷的硬度相对较高，抗弯强度相对较低。在权利要求书取值范围内，其对材料的性能影响不大。

Claims

1、一种梯度结构纳米碳管增强Ti(C，N)基金属陶瓷，其特征在于：其成分质量份数为：C为6.5～8.0，其中0.5-1.0的碳由纳米碳管引入，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为20～32，Mo为10～18，W为6～10。

2、根据权利要求1所述的梯度结构纳米碳管增强Ti(C，N)基金属陶瓷，其特征在于：所采用的原料为TiC、TiN、WC、Ni、Mo、纳米碳管。

3、一种梯度结构纳米碳管增强的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)配制符合下述要求的混合料，其成分质量份数为：C为6.5～8.0，其中0.5-1.0的碳由纳米碳管引入，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为20～32，Mo为10～18，W为6～10；

(2)混料，混料工序在行星式球磨机中进行；

(4)压制成型，所用压制压力为250-320MPa；