CN102383019A

CN102383019A - 一种超细晶Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法

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Publication number: CN102383019A
Application number: CN2011103161622A
Authority: CN
Inventors: 李海坤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明公开了一种超细晶Ti(C，N)基金属陶瓷及制备方法，该金属陶瓷其总组成的重量百分比为：30≤Ti≤65，8≤W≤25，0≤Ta≤15.0，0≤Nb≤10，4.5≤Mo≤20，3.5≤Ni≤15.0，其中1.0≤Ta+Nb≤20，8≤Ni≤25，其余成分为C和N。该金属陶瓷是由超细两种或两种以上不同组元的多元复式碳氮化物陶瓷粉末，混合超细Ti、W、Ta、Nb、Mo等的碳化物粉末和(或)它们之间的固溶体碳化物粉末以及金属Ni、Mo等的粉末，经球磨粉碎、压制、真空脱腊和真空烧结制备而成。该金属陶瓷在保持良好的耐磨性的基础上，具有较高的强度和韧性，可用于切削刀具和拉丝模、压制模等模具材料。

Description

一种超细晶Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法

技术领域：

本发明为超细晶陶瓷材料及其制造方法，特别涉及超细晶Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术：

Ti(C，N)基金属陶瓷是诞生于二十世纪七十年代的一种新型金属陶瓷材料。它具有密度低，化学稳定性和抗氧化性好、对钢的磨擦系数小，并且硬度和红硬性高于硬质合金等优点。Ti(C，N)基金属陶瓷用作刀具材料，适合于铸铁、普通钢、高硬度钢的高速切削和干式切削，使用性能尤其在精加工、半精加工方面优于硬质合金和涂层硬质合金刀具，因而各国的企业和研究机构近年来在Ti(C，N)基金属陶瓷的研究方面作了许多工作。

中国专利CN88107079.3(公开日为1985年5月10日)提供一种金属陶瓷切削刀具，其成份为：3.5≤Ni≤6.5，4.5≤Co≤7.5，20≤W≤25，5≤Mo≤11，0≤Ta+Nb≤6，Cr≤0.05，Al≤1.0，V≤3，其中8≤Co+Ni≤11，其余成分为Ti、C和N。该金属陶瓷材料的原料碳氮化物粉末为Ti(C，N)粉末。其目的是在保持较好耐磨性和刀具使用寿命的基础上，提供具有较高韧性的刀具。

中国专利CN01133646.3(公开日为2002年5月1日)中提供一种复合金属陶瓷及其制备方法，该发明中金属陶瓷成分重量百分比为：25≤Ti≤30，6≤C≤8.5，25≤Ni≤40，12≤Mo≤20，2≤N≤3，5≤W≤10，0.4≤Cr≤1.0。其制备工艺为：将单质元素Ti、C、Ni、Mo的粉末混合，在Ar气保护下，通过机械合金化制备包括纳米级TiC_X和NiMo固溶体的混合物，再与TiN、WC、Cr₃C₂、C粉末一起配制成符合上述成份的混合物，加入成型剂，压制成型，在真空度高于5Pa的条件下脱蜡，在真空度高于1.0×1.0^-1Pa的条件下烧结，在压力为100- 150MPa，处理温度1350～1400℃的条件下进行热等静压处理。该发明的目的是提供一种具有较高强度(σ_b＝2500～2630MPa)的复合金属陶瓷及其制备方法，但其耐磨性较低(HRA＝91.7～90.0)。

在切削刀具市场上也出现了一些Ti(C，N)基金属陶瓷，以国内为例，株洲硬质合金集团有限公司“八·五”期间已研制出一些牌号的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料，如表1所示；

表1株洲硬质合金集团有限公司的几种金属陶瓷刀片的牌号和性能

国际方面，以日本为例，数控刀片Ti(C，N)基金属陶瓷刀具占了约25～30％的市场，其主要牌号及性能见表2。

表2日本市场上主要的金属陶瓷的牌号和性能

尽管近些年Ti(C，N)基金属陶瓷在国内及国际上都得到了较大的发展，但存在的主要问题是仍然是强韧性不足，并且产品性能不稳定。只有在保持高硬度、高耐磨性的前提下，较大幅度地提高金属陶瓷材料的强度和韧性，实现优良的综合性能，才有可能使Ti(C，N)基金属陶瓷成为一种很好的切削工具材料，同时其应用领域还可扩展到模具市场。

发明内容：

本发明针对现有技术的不足，提供一种新型的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，在保持高硬度高耐磨性的前提下，较大幅度地提高其强度和韧性，使其既可很好地适用于切削工具材料，又可作为拉丝模、压制模等模具材料。同时本发明还提供该新型Ti(C，N)基金属陶瓷材料的制备方法。

本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷，其成份重量百分比为：30≤Ti≤65，8≤W≤25，0≤Ta≤15.0，0≤Nb≤10，4.5≤Mo≤20，3.5≤Ni≤15.0，其中1.0≤Ta+Nb≤20，8≤Ni≤25，其余成分为C和N。

在本发明中采用两种不同组元的多元复式碳氮化物固溶体陶瓷粉末制备金属陶瓷，不添加金属元素Co，这有别于上述专利所述及市场上的Ti(C，N)基金属陶瓷。

当所述金属陶瓷之一Ni为14.5～16.0％，Ta为4.3～8.3％，Mo为9.5～13.5％，W为13.5～18.5％(重量百分比)，其余为Ti、C、N和其它微量金属元素，本发明的金属陶瓷的性能得到进一步改进。

当所述金属陶瓷之一Ni为16.0～18.0％，Ta为5.1～9.1％，Mo为9.0～12.5％，W为13.5～18.0％(重量百分比)，其余为Ti、C、N和其它微量金属元素，本发明的金属陶瓷的性能也能得到进一步改进。

上述诸技术方案中Ta、Nb中的杂质均不多于为0.05(重量百分比)。

本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，具有较高的硬度HRA92.0～94.0、较高的抗弯强度σ_b＝2050～2600MPa，因此具有除较好的耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性，与金属间极低的磨擦系数等优点之外，其强韧性也很优良，既可用于切削金属和合金的刀具材料，又可用于拉丝模，压制模等模具材料。

本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)将满足最终成分重量百分比的碳氮化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末与金属粉末混合进行湿磨，经沉淀干燥，得到混合料；

(2)按混合料的8～15％(重量百分比)加入成型剂，混合后进行干燥制粒，经压制成型；

进行脱蜡和烧结。

在所述的金属陶瓷制备方法中，采用的碳化物陶瓷粉末由Ti、W、Ta、Nb、Mo等碳化物和(或)它们的固溶体碳化物粉末组成，金属粉末为Ni和(或)Mo粉，碳氮化物陶瓷粉末至少包括两种不同组元的多元复式碳氮化物固溶体陶瓷粉末。

在所述多元复式碳氮化物固溶体陶瓷粉末至少含有一种Ti(C，N)粉末和一种Ti、W、Ta、Nb、Mo等的多元复式碳氮化物固溶体粉末；其中Ti(C，N)粉末中0.6≤N/(N+C)≤0.80(重量比)；而所述多元复式碳氮化物固溶体粉末为(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)粉末，其中0.3≤N/(N+C)≤0.6(重量比)，0.3≤Ti≤0.8(重量比)，0.1≤W≤0.3(重量比)，0.1≤Ta≤0.3(重量比)，0.05≤Nb≤0.3(重量比)，0.05≤Mo≤0.3(重量比)，最优为Ti∶W∶Ta∶Nb∶Mo＝70∶10∶10∶5∶5(重量比)；所述多元复式碳氮化物固溶粉末还可以是为(Ti，W)(C，N)、(Ti，W，Ta)(C，N)、(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末，这些粉末中0.3≤N/(N+C)≤0.6(重量比)，且所述(Ti，W)(C，N)粉末中0.3≤Ti≤0.9(重量比)，0.1≤W≤0.7(重量比)，最优为Ti∶W＝80∶20(重量比)；(Ti，W，Ta)(C，N)粉末中0.3≤Ti≤0.8(重量比)，0.1≤W≤0.3(重量比)，0.1≤Ta≤0.3(重量比)，最优为Ti∶W∶Ta＝70∶20∶ 10(重量比)；(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末中0.3≤Ti≤0.8(重量比)，0.1≤W≤0.3(重量比)，0.1≤Ta≤0.3(重量比)，0.05≤Nb≤0.3(重量比)，最好优为Ti∶W∶Ta∶Nb＝70∶10∶10∶10(重量比)。

在上述的金属陶瓷所有制备方法中，所述超细陶瓷粉末粒度为：Fsss≤1μm和金属粉末粒度为：Fsss≤3.5μm。

在上述金属陶瓷的制备方法中，所述成型剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物或聚乙二醇。

所述脱蜡和烧结是在真空炉中进行。其中脱蜡是在真空度高于5Pa的条件下进行，在250～350℃之间保温90～150min，升温至400～650℃之间保温90～150min；烧结的真空度高于0.1Pa，按升温速度为2～8℃/min，升至1300℃保温30～50min，再按升温速度为4～8℃/min，升温至1400～1500℃保温30～100min，然后在真空环境下冷却。

具体实施方式：

以下结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：将粒度为0.5μm，且符合最终成分重量百分比的碳氮化物陶瓷[Ti(C，N)和(Ti，W，Ta)(C，N)]粉末与金属Ni粉末混合球磨48～96小时，其中Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.7；(Ti，W，Ta)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.37，Ti/W/Ta＝70/20/10。

本发明的金属陶瓷材料TN1的总成份如表3所示，其中Ta+Nb＝6.6。

表3金属陶瓷材料TN1的总成分表

将制备的混合料沉淀36～96小时，真空干燥；再加入成型剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物，加入量为混合料的10wt％，经干燥制粒、压制成型；然后在真空炉内进行脱蜡处理，该处理在真空度高于5Pa的条件下进行，在300℃保温120min，520℃保温120min；然后进行真空烧结，其真空度高于0.1Pa，按3℃/min升温至1300℃保温30min后，再按升温5℃/min升温至1500℃，保温60min，随后真空环境下冷却。

在上述原料组分及制备工艺条件下(令其为工艺I)，得到的金属陶瓷材料TN1的性能指标如表4。

表4金属陶瓷材料TN1的性能指标

实施例2：将粒度为0.3μm、且符合最终重量百分比的碳氮化物陶瓷[Ti(C，N)和(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)]粉末与金属Ni、Mo粉末混合在高能球磨机内湿磨20小时，其中Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.65；(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.3，Ti/W/Ta/Nb＝70/10/10/10。

本发明的金属陶瓷材料TN2的总成份如表5所示，其中Ta+Nb＝8.6。

表5金属陶瓷材料TN2的总成分表

将制备的混合料不经沉淀直接真空干燥；再加入成型剂聚乙烯醇，加入量为混合料的8wt％，经干燥制粒、压制成型；然后在真空炉内进行脱蜡处理，该处理在真空度高于5Pa的条件下进行，在350℃保温150min，600℃保温150min；然后进行真空烧结，其真空度高于0.1Pa，按8℃/min升温至1300℃保温30min后，再按升温速度7℃/min升温至1480℃，保温90min，随后真空环境下冷却。

在上述原料成分及制备工艺条件下(令其为工艺II)，得到的金属陶瓷材料TN2的性能指标如表6。

表6金属陶瓷材料TN2的性能指标

实施例3：将粒度为1.0μm、且符合最终重量百分比的碳氮化物陶瓷[Ti(C，N)和(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)]粉末与金属Ni粉末混合球磨72小时，其中Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.65；(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.5，Ti/W/Ta/Nb/Mo＝70/10/10/5/5。

本发明的金属陶瓷材料TN3的总成份如表7所示，其中Ta+Nb＝11.5。

表7金属陶瓷材料TN3的总成分表

将制备的混合料沉淀96小时，真空干燥；再加入成型剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物，加入量为混合料的15wt％，经干燥制粒、压制成型；然后在真空炉内进行脱蜡处理，该处理在真空度高于5Pa的条件下进行，在250℃保温150min，550℃保温150min；然后进行真空烧结，其真空度高于0.1Pa，按4℃/min升温至1300℃保温30min后，再按升温速度7℃/min升温至1490℃，保温75min，随后真空环境下冷却。

在上述成分及制备工艺条件下(令其为工艺III)，得到的金属陶瓷材料TN3的性能指标如表8。

表8金属陶瓷材料TN3的性能

Claims

1.一种超细晶Ti(C，N)基金属陶瓷，其总成分重量百分比为：30≤Ti≤65，8≤W≤25，0≤Ta≤15.0，0≤Nb≤10，4.5≤Mo≤20，3.5≤Ni≤15.0，其中1.0≤Ta+Nb≤20，8≤Ni≤25，其余成分为C和N。

2.根据权利要求1所述的金属陶瓷，其特征是：不含金属Co。

3.根据权利要求1和2之一所述的金属陶瓷，其特征是：所述Ni为14.5～16.0％，Ta为4.3～8.3％，Mo为9.5～13.5％，W为13.5～18.5％(重量百分比)，其余为Ti、C、N和其它微量金属元素。

4.根据权利要求1-4之一的金属陶瓷，其特征是：所述Ta、Nb中的杂质均不多于为0.05％(重量百分比)。

5.如权利要求1-4之一的金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(2)按混合料重量百分比的8～15％加入成型剂，混合后进行干燥制粒，经压制成型；

(3)真空烧结炉中进行脱蜡和烧结。

6.权利要求1-6之一的金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述碳化物陶瓷粉末由Ti、W、Ta、Nb、Mo等碳化物和(或)他们的固溶体碳化物粉末组成；所述金属粉末采用Ni和(或)Mo粉；所述碳氮化物陶瓷粉末至少包括两种不同组元的多元复式碳氮化物固溶体陶瓷粉末。

7.根据权利要求7所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述多元复式碳氮化物固溶体陶瓷粉末至少含有一种Ti(C，N)粉末和一种Ti、W、Ta、Nb、Mo等的多元复式碳氮化物固溶体粉末。

8.根据权利要求8所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于：Ti(C，N)粉末中0.6≤N/(N+C)≤0.80(重量比)。

9.根据权利要求8所述的的金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述多元复式碳氮化物固溶体粉末为(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)粉末，其中0.3≤N/(N+C)≤0.6(重量比)，0.3≤Ti≤0.8(重量比)，0.1≤W≤0.3(重量比)，0.1≤Ta≤0.3(重量比)，0.05≤Nb≤0.3(重量比)，0.05≤Mo≤0.3(重量比)。

10.根据权利要求8所述的的金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述多元复式碳氮化物固溶粉末为(Ti，W)(C，N)、(Ti，W，Ta)(C，N)、(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末，这些粉末中0.3≤N/(N+C)≤0.6(重量比)。

11.根据权利要求11所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述(Ti，W)(C，N)粉末中0.3≤Ti≤0.9(重量比)，0.1≤W≤0.7(重量比)；(Ti，W，Ta)(C，N)粉末中0.3≤Ti≤0.8(重量比)，0.1≤W≤0.3(重量比)，0.1≤Ta≤0.3(重量比)；(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末中0.3≤Ti≤0.8(重量比)，0.1≤W≤0.3(重量比)，0.1≤Ta≤0.3(重量比)，0.05≤Nb≤0.3(重量比)。

12.根据权利要求6至12中任一所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述超细陶瓷粉末粒度为：Fsss≤1μm和金属粉末粒度为：Fsss≤3.5μm；所述成型剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物或聚乙二醇。

13.根据权利要求6所述的金属陶瓷的制备方法，所述脱蜡是在真空度高于5Pa的条件下进行，在250～350℃之间保温90～150min；升温至400～650℃之间保温90～150min。

14.根据权利要求6所述的金属陶瓷的制备方法，所述真空烧结的真空度高于0.1Pa，烧结工艺为：

(1)0～1300℃，升温速度为2～8℃/min，至1300℃保温30～50min；

(2)1300～1500℃，升温速度为4～8℃/min，至1400～1500℃保温30～100min；

(3)真空环境下冷却。