CN104745908B - 硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新材料，尤其是一种硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法。原始粉末质量配比为wt％:TiC:58.22％～60.11％TiB₂:33.78％～34.89％Mo:0～3.55％Ni:4.45％～8％；制备工艺为：将配方中的TiC和TiB₂分别装入球磨筒用碳化钨球在酒精中湿磨48h；用100℃～120℃真空干燥，过100目筛封装待用；将原始粉末Ni、Mo和球磨过的TiC、TiB₂按质量配比称量后混合，湿球磨48h后真空干燥封装备用；制备刀具时按照用量称取混合粉末，装入石墨模具中真空烧结；以50℃/min的升温速率从室温升至700℃，保温2min；再以50℃/min的速率升温至1450℃～1650℃，施加压力32MPa、保温30min的条件下热压烧结成型。本发明制备工艺简单稳定、成本低、效率高，制备的刀具材料在保持高硬度同时提高抗弯强度和断裂韧度，该材料还可用作其他高温耐磨结构件。

Description

硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法

一、技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其是一种硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法。

二、背景技术

金属陶瓷既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又有较好的韧性和可塑性，是一类非常重要的高性能结构材料。其中碳化钛(TiC)基金属陶瓷是近年来发展较快的一种金属陶瓷刀具材料，TiC的熔点(3250℃)高于WC(2630℃)、耐磨性好、密度只有WC的l/3，抗氧化性远优于WC。最初TiC基金属陶瓷被用来填补WC-Co系硬质合金和A1₂O₃陶瓷刀具材料之间的间隙，适于做高速精加工的刀具，后来由于技术的进步，金属陶瓷的韧性得到了改善，其使用范围扩大到WC基硬质合金的使用领域。但目前已有的大多数制备工艺往往只能提高TiC基金属陶瓷材料的单一性能指标，而缺少提高其综合性能的研究成果。因此，研发低成本制备既能保证高硬度，又同时具备较高的抗弯强度和断裂韧度的高综合力学性能的碳化钛基金属陶瓷刀具的新方法，是促进金属陶瓷材料的创新、发展、推广应用的重要途径。

硼化钛(TiB₂)具有较高的熔点、高硬度、优异的化学稳定性、良好的导电性、金属光泽，可用电加工实现成型加工，但其原子自扩散系数较低，烧结性能较差，因此，单相材料TiB₂的力学性能，特别是抗弯强度和断裂韧度较低。可采用加入金属粘结剂、加入陶瓷颗粒、或同时加入金属和陶瓷颗粒的制备方法改善其烧结性能和力学性能。增加金属相有利于提高碳化钛金属陶瓷的强韧性，但过高金属含量的金属陶瓷不适合用作高速切削刀具，因此研究最优的金属配比和制备工艺方案是提高碳化钛金属陶瓷的机械性能的重要途径。本研究制备的TiB₂复合TiC基金属陶瓷刀具材料具有比TiC、TiB₂单相陶瓷更优的综合力学性能。

目前制备TiC-TiB₂复合材料的主要方法有：自蔓延高温合成技术，原位合成法，过渡塑性相工艺，无压液相烧结以及激光加热浮流区法等。以上制备工艺各有其可取之处，但是制备设备与工艺复杂，成本高，并且制备的TiC-TiB₂复合材料的综合力学性能不高，在提高抗弯强度或断裂韧度时，材料的硬度降低很严重，导致该材料无法得到推广和使用。

三、发明内容

本发明的目的，在于克服现有碳化钛基金属陶瓷刀具材料制备方法存在的缺陷，提供一种可以获得较高综合力学性能的硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法。

本发明的基本构思是将硼化钛作为增强相添加到碳化钛基金属陶瓷材料中配以适当的金属助烧剂，通过真空热压烧结工艺制备出致密的复合刀具材料；通过优化原始粉末组份配比、烧结温度和保温时间等工艺参数，制备出一种具有较高综合力学性能的硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料。

硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料的原始粉末质量配比为wt％:

TiC:58.22％～60.11％TiB₂:33.78％～34.89％Mo:0～3.55％Ni:4.45％～8％；

制备工艺过程为：(1)将配制的硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料中的TiC和TiB₂原始粉末分别装入聚氨酯球磨筒中，以碳化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48h；(2)将球磨后的TiC和TiB₂，分别放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装待用；(3)将原始粉末Ni、Mo和球磨过的TiC、TiB₂粉末按质量配比称量后混合，在聚氨酯球磨筒中继续球磨混料48h；(4)将球磨后的全部组份的混合料放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装备用；(5)将封装的粉体取出，按照刀具制备需要的用量称取混合粉末，装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中；(6)在真空气氛下，以50℃/min的升温速率从室温升至700℃，并在此温度下保温2min；(7)保温结束后，以50℃/min的升温速率升至1450℃～1650℃，在此温度下施加压力32MPa、保温30min的条件下热压烧结成型。

本发明所使用的设备简单且安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高。该工艺制备的金属陶瓷刀具材料能在保持高硬度的同时提高抗弯强度和断裂韧度，在高温条件下具有良好的机械性能和良好的物理、化学性能，该发明还适用于耐磨件、耐腐蚀件等结构件的开发制备，作为高温结构陶瓷在航天和装甲方面也具有很大的应用潜力。

四、附图说明

图1为Ni含量为5wt％的金属陶瓷刀具材料断口扫描电镜照片SEM；

图2为Ni含量为4.45wt％，Mo含量为3.55wt％的金属陶瓷刀具材料断口扫描电镜照片SEM。

五、具体实施方式：

按实施例参数附表中所列的组份比例，先将配制硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料的TiC和TiB₂原始粉末分别装入聚氨酯球磨筒中，以碳化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48h；然后将球磨后的料，放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装待用；再将原始粉末Ni、Mo和球磨过的TiC、TiB₂粉末按质量配比称量后混合，在聚氨酯球磨筒中继续球磨混料48h；将球磨后的全部组份的混合料放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装备用；刀具材料制备时，将封装的粉体取出，按照刀具制备需要的用量称取混合粉末，装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中；在真空气氛下，以50℃/min的升温速率从室温升至700℃，并在此温度下保温2min；保温结束后，以50℃/min的升温速率升至1450℃～1650℃，在此温度下施加压力32MPa、保温30min的条件下热压烧结成型。

实施例参数附表

本发明方法成功制备了硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料，经组份和工艺优化后制备出的复合陶瓷刀具材料的抗弯强度可达到800.75～932.3MPa，断裂韧度达到6.32～7.18MPa·m^1/2，维氏硬度达到20.14～22.66GPa。与大多数文献报道的TiC基金属复合陶瓷的抗弯强度相比提高约51％，并且同时具备良好的断裂韧度和硬度；因此，本发明的制备方法具有重要的推广应用价值。

Claims (1)

1.硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征为原始粉末质量配比为wt％：

TiC:58.22％～60.11％TiB₂:33.78％～34.89％Mo:0～3.55％Ni:4.45％～8％；

制备工艺过程为：(1)将配制的硼化钛复合碳化钛基金属陶瓷刀具材料中的TiC和TiB₂原始粉末分别装入聚氨酯球磨筒中，以碳化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48h；(2)将球磨后的TiC和TiB₂，分别放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装待用；(3)将原始粉末Ni、Mo和球磨过的TiC、TiB₂粉末按质量配比称量后混合，在聚氨酯球磨筒中继续球磨混料48h；(4)将球磨后的全部组份的混合料放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装备用；(5)将封装的粉体取出，按照刀具制备需要的用量称取混合粉末，装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中；(6)在真空气氛下，以50℃/min的升温速率从室温升至700℃，并在此温度下保温2min；(7)保温结束后，以50℃/min的升温速率升至1450℃～1650℃，在此温度下施加压力32MPa、保温30min的条件下热压烧结成型。