CN103834842A

CN103834842A - 纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料及制备方法

Info

Publication number: CN103834842A
Application number: CN201410112886.9A
Authority: CN
Inventors: 何旭东
Original assignee: Dragon Carbide (suzhou) Co Ltd
Current assignee: Dragon Carbide (suzhou) Co Ltd
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明公开了纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料及制备方法，该材料采用纳米TiCxN（1-x）为原料，其中x=0.1-0.9，并且加入特殊添加成分Me，其中材料各组分的质量百分比为：TiCxN（1-x）：30-70%，其余为A（W：0-15%，Mo：1-20%；Ni：0-20%，Co：0-20%，Fe：0-10%；Nb：0-10%；Zr：0-10%；Ta：0-5%，Cr：0-5%，V：0-5%，C：4-10%，N：2-6%）+Me，即TiCxN（1-x）+A+Me。本材料的强度和韧性均等同或高于传统的WC基硬质合金，并且适用范围广，制备工艺简便。

Description

纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料及制备方法

技术领域

本发明属于数控刀具材料领域，具体涉及纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料及制备方法。

背景技术

传统刀具的主要材料为高速钢、自上世纪初德国人发明WC基硬质合金后，以数倍于高速钢刀具的加工效率，在机加工领域得到了迅猛的普及和应用，至今WC基硬质合金刀具已使用了近百年时间而仍然占据数控刀具市场的主要地位。

WC基硬质合金刀具材料需消耗大量的金属W资源，我国是世界W资源大国占有全球约40%的矿产资源，近年来也面临资源日益减少并濒于匮乏的局面，同时W因是军工领域不可替代的重要战略资源，硬质合金行业大量消耗W且资源日趋匮乏已是发达国家普遍面临的重要课题。

1970年代日本利用TiC中引入N元素生产TiCN金属陶瓷刀具材料，使TiCN基金属陶瓷刀具得到了大量的推广，目前日本已有30%的数控刀具使用TiCN基材料，其主要硬质相TiCN的晶粒度为0.6-3u但缺点是该刀具材料强度及韧性不敌WC基硬质合金材料，迄今为止国内外有关TiCN基金属陶瓷刀具材料及相关专利，其缺点是只能应用于背吃刀量小、进给小的精加工或半精加工领域，而不能适用用于背吃刀量大、进给大的粗加工领域，从而限制了TiCN基金属陶瓷刀具材料的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料及制备方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料，该材料采用纳米TiCxN（1-x）为原料，并且加入特殊添加成分Me，材料各组分的质量百分比为：TiCxN（1-x）：30-70%，其余为A（W：0-15%，Mo：1-20%；Ni：0-20%，Co：0-20%，Fe：0-10%；Nb：0-10%；Zr：0-10%；Ta：0-5%，Cr：0-5%，V：0-5%，C：4-10%，N：2-6%）+Me。

纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、按材料各组分的质量百分比含量：TiCxN（1-x）：30-70%，其余为A（W：0-15%，Mo：1-20%；Ni：0-20%，Co：0-20%，Fe：0-10%；Nb：0-10%；Zr：0-10%；Ta：0-5%，Cr：0-5%，V：0-5%，C：4-10，N：2-6）+Me进行配料，加入固液质量比1：（0.5～2）的纯水或工业酒精作为溶剂，并加入石蜡或PEG成型剂，在真空球磨机中混合搅拌60～100h，制成混合料浆。

b、将步骤a料浆经过离心式或闭路溶剂回收式喷雾干燥塔，进行喷雾干燥制粒，制备平均粒度为30～200μｍ的合金混合料。

c、将步骤b混合料通过模具经机械压机用100-200Mpa/cm2压力压制成设定形状的压坯。

d、将步骤c的压坯放入真空加压烧结炉，升温速度为5-15℃/min，在1410-1480℃实施加压烧结，到达烧结温度保温20-40分钟后并实施加压烧结20-30分钟，加压压力5-10MPa/cm2。然后经冷却出炉即制成烧结坯，经加工后制成纳米晶TiCN金属陶瓷数控刀具。

进一步的，原料TiCxN（1-x）其x=0.1-0.9，并且TiCxN（1-x）使用平均晶粒度为30-300nm的纳米级原料。

进一步的，所述的特殊添加成分Me为Nb、Zr、Mn、Cr、V…等元素中的一种或几种元素。

进一步的，余下的A中各成分物质的平均晶粒度为1.0-1.5μm。

本发明的有益效果是:

采用本发明技术方案，通过采用纳米TiCxN（1-x）原料，以及特有的制造工艺技术制备纳米TiCxN（1-x）金属陶瓷材料及刀具，成功解决了TiCxN（1-x）金属陶瓷材料的强度和韧性低于WC基硬质合金的致命缺点，实现了TiCxN（1-x）金属陶瓷在整个加工领域全面替代传统WC基硬质合金刀具的这一目标。本发明的材料适用于制备CNC数控刀具，矿山工具、轧辊、非标刀具、各种耐磨零件以及其他耐腐蚀用零部件、结构材料等、结构部件等。

本发明与以往国内外TiCxN（1-x）基金属陶瓷不同的特点，是主要硬质相TiCxN（1-x）使用平均晶粒度为30-300nm的纳米级原料，并加入特殊的添加成分Me。

具体实施方式

以下为本发明的技术方案具体实施例，制备方法按上述材料配方、工艺流程及工艺参数分别制成数控刀具成品。与实施例1～3相对比的现有方法为合金成分相同、不同之处仅是原材料TiCN的平均晶粒度为1.5μm。

现有方法：

使用平均晶粒度1.5μm的通常晶粒度TiC_0.5N_0.5；其他各组分重量百分比：Ti 40-50%、Mo 10%、（Ta+Nb+Zr） 4-8%、W 5.0% 、Co 6-10%、Ni 8-14%、C 6.5%、N 4.5%、Me 2%；即1.5μm TiCN+A+Me，按本发明的方法制得“对比产品”。

实施例1：

使用平均晶粒度300nm的纳米TiC0.5N0.5；其他各组分重量百分比： Ti 40-50%、Mo 10%、（Ta+Nb+Zr） 4-8%、W 5.0%、Co 6-10%、Ni 8-14%、C 6.5%、N 4.5%、Me 2-5%；即300nmTiCN+A+Me，按本发明的方法制得“产品1”。

实施例2：

使用平均晶粒度100nm的纳米TiC0.5N0.5；其他各组分重量百分比： Ti 40-50%、Mo 10%、（Ta+Nb+Zr） 4-8%、W 5.0%、Co 6-10%、Ni 8-14%、C 6.5%、N 4.5%、Me 2-5%，即100nmTiCN+A+Me，按本发明的方法制得“产品2”。

实施例3：

使用平均晶粒度50nm的纳米TiC0.5N0.5；其他各组分重量百分比：Ti 40-50%、Mo 10%、（Ta+Nb+Zr） 4-8%、W 5.0%、Co 6-10%、Ni 8-14%、C 6.5%、N 4.5%、Me 2-5%；即50nmTiCN+A+Me，按本发明的方法制得“产品3”。

现有方法与实施例1-3所制备的合金的性能对比，如表1所述：

表1 现有方法与实施例1～3的合金性能

由表1可见，使用纳米TiCN原料的TiCN基金属无论在硬度、抗弯强度以及断裂韧性上均明显高于常规1.5μm晶粒度TiC_0.5N_0.5基金属陶瓷材料，同时该指标也完全等同或超过了纳米WC基硬质合金的性能。

由于纳米TiCN基金属陶瓷刀具在上述性能上的突破，在各类加工范畴下（粗加工、半精加工以及精加工）均可取代WC基硬质合金刀具，并且刀具寿命与为WC基硬质合金刀具的1-3倍。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料，其特征在于，该材料采用纳米TiCxN（1-x）为原料，并且加入特殊添加成分Me，材料各组分的质量百分比为：TiCxN（1-x）：30~70%，其余为A（W：0~15%，Mo：1~20%；Ni：0~20%，Co：0~20%，Fe：0~10%；Nb：0~10%；Zr：0~10%；Ta：0~5%，Cr：0~5%，V：0~5%，C：4-10%，N：2-6%）+Me。

2.纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、按材料各组分的质量百分比含量：TiCxN（1-x）：30-70%，其余为A（W：0-15%，Mo：1-20%；Ni：0-20%，Co：0-20%，Fe：0-10%；Nb：0-10%；Zr：0-10%；Ta：0-5%，Cr：0-5%，V：0-5%，C：4-10，N：2-6）+Me进行配料，加入固液质量比1：（0.5～2）的纯水或工业酒精作为溶剂，并加入石蜡或PEG成型剂，在真空球磨机中混合搅拌60～100h，制成混合料浆;

b、将步骤a料浆经过离心式或闭路溶剂回收式喷雾干燥塔，进行喷雾干燥制粒，制备平均粒度为30～200μｍ的合金混合料;

c、将步骤b混合料通过模具经机械或液压式压机用100-200Mpa/cm2压力压制成设定形状的压坯;

d、将步骤c的压坯放入真空加压烧结炉，升温速度为5-15℃/min，在1410-1480℃实施加压烧结，到达烧结温度时保温30-60分钟,然后实施加压烧结20-40分钟，加压压力5-10MPa/cm2，然后经冷却出炉即制成烧结坯，最后经加工制成纳米晶TiCN金属陶瓷数控刀具。

3.根据权利要求1所述的纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料，其特征在于，原料TiCxN（1-x）其x=0.1-0.9，并且TiCxN（1-x）使用平均晶粒度为30-300nm的纳米级原料。

4.根据权利要求1所述的纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料，其特征在于，所述的特殊添加成分Me为Nb、Zr、Mn 、Cr、V……等元素中的一种或几种元素。

5.根据权利要求1所述的纳米晶粒度TiCN基金属陶瓷数控刀具材料，其特征在于，余下的A中各成分物质的平均晶粒度为1.0-1.5μm。