CN107287461A - 一种超细晶高性能Ti(C,N)‑TiB2‑WC‑TaC复合金属陶瓷刀具及制备方法 - Google Patents

一种超细晶高性能Ti(C,N)‑TiB2‑WC‑TaC复合金属陶瓷刀具及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于新材料技术领域，公开了一种超细晶高性能Ti(C,N)‑TiB2‑WC‑TaC复合金属陶瓷刀具及制备方法。所述超细晶高性能Ti(C,N)‑TiB2‑WC‑TaC复合金属陶瓷材料为一步法原位合成，晶粒尺寸小于500nm。其主要由以下材料组成：Co：8wt.％(纯度99wt.％，粒度<1μm)，Ti：62wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，C：3％(纯度98wt.％，粒度<1μm)，BN：12wt.％(纯度99wt.％，粒度<0.5μm)，WC：3‑12wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)，TaC：3‑12wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)通过研磨制备粉体，8MPa预压，真空反应热压烧结成坯体，磨制刀片等，最终得到金属陶瓷刀具。本发明方法制得碳化物添加的金属陶瓷刀具与传统的金属陶瓷刀具相比，具有更高的硬度和耐磨性，其热稳定性，耐磨性，导热性，抗氧化性以及高温硬度，高温强度，切削性能都有明显优势。

Description

一种超细晶高性能Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具及 制备方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，尤其涉及一种超细晶高性能Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料及制备方法。
背景技术
作为高速切削刀具，碳氮化钛基金属陶瓷主要原材料丰富，制造成本低，且红硬性、热化学性、耐磨性优良，在淬硬钢、马氏体不锈钢等材料的高速精加工与半精加工领域显示出良好的发展前景。然而，碳氮化钛基金属陶瓷的强韧性不足，在服役过程中易出现剥落甚至微崩刃现象。细晶强化是可同时提高材料强度、硬度、塑性和韧性的有效方法。另外，通过添加适当的碳化物可提高陶瓷相与粘结相之间的润湿性，增强陶瓷相在粘结相中的溶解性，从而可细化晶粒，而且陶瓷相在粘结相中分布更均匀，从而可提高材料强度、硬度、塑性和韧性。研究表明，通过细化晶粒，可增大单位体积内的晶粒数目，使变形分散在更多的晶粒内进行，减小位错塞积群中位错的数目，降低应力集中，抑制裂纹的过早产生。因此，通过添加碳化物和细晶强化，可望制备出高强韧性的碳氮化钛基复合金属陶瓷。
传统的Ti(C,N)-TiB2复合金属陶瓷刀具材料制备方法由Ti(C,N)粉末、TiB2粉末和金属粘结剂粉末混料、烧结等工序组成。当Ti(C,N)原料粒径减小到超细尺度以下，其表面积和表面能急剧增大，生产、储存及混合过程中易出现吸氧、团聚现象。而且烧结好的刀具材料其微观晶界间会有不定量的夹杂物，其晶粒大小也不均匀，因此在颗粒表面会出现氧化膜，在团聚体之间则出现大孔隙。上述工艺的烧结温度大多控制在1400-1800℃之间，保温时间1h以上，这种高温长时间的烧结往往会造成Ti(C,N)晶粒的迅速长大。添加晶粒生长抑制剂虽能一定程度上阻止Ti(C,N)颗粒的粗化，也难以达到超细尺度。利用放电等离子烧结技术可低温快速制备超细晶甚至纳米级Ti(C,N)基金属陶瓷，但产物孔隙率偏高。此外，商用Ti(C,N)粉体常由TiC和TiN、或Ti、TiC及N2在高温环境固溶而成，价格昂贵。
本发明克服上述问题，从产品的制备方法及配方着手，提出一步法原位合成Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料的制备方法。而且制备出了性能优异的Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷切削刀片。本发明制成的金属陶瓷刀片具有高的硬度和耐磨性，耐腐蚀性，低的孔隙度和低的成本，可用于高速切削奥氏体不锈钢，淬硬钢，模具钢等难加工材料。
发明内容
本发明的目的在于避开了传统粉末冶金法中低温烧结时的不致密Ti(C,N)和高温烧结时的晶粒粗化现象，并克服了烧结体晶界处存在杂质降低了晶界结合力和陶瓷相在粘结相中溶解性小的问题。提出用一种超细晶高性Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料及制备方法。
本发明的基本思路是将燃烧合成与热压烧结技术相结合，燃烧合成反应温度高、冷却速度快，在燃烧反应产生的短时间高温(试样短时间内处于红热软化状态)与外加压力耦合作用下，致密化过程加快。此外，高的燃烧温度有助于粉末中残余气体和杂质的挥发，提高界面结合强度与烧结体的致密度。因此，利用反应热压烧结技术，通过优化反应体系配比、工艺参数以及碳化物的加入，可在高温烧结温度下，获得超细、高纯、高致密Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷。
本发明提供一种超细晶高性能Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料，所述刀具材料所用原料及配比如下：Co：8wt.％(纯度99wt.％，粒度<1μm)，Ti：62wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，C：3wt.％(纯度98wt.％，粒度<1μm)，BN：12wt.％(纯度99wt.％，粒度<0.5μm)，WC：3-12wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm),TaC：3-12wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)，其中，WC+TaC：15wt.％。。上述刀具材料是原料通过一步法原位反应合成。
其中一种一体化原位合成碳化物添加的高纯、超细晶Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成Co：8wt.％，Ti：62wt.％，C：3wt.％，BN：12wt.％，WC：3wt.％，TaC：12wt.％。
其中一种一体化原位合成碳化物添加的高纯、超细晶Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成Co：8wt.％，Ti：62wt.％，C：3wt.％，BN：12wt.％，WC：6wt.％，TaC：9wt.％。
其中一种一体化原位合成碳化物添加的高纯、超细晶Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成Co：8wt.％，Ti：62wt.％，C：3wt.％，BN：12wt.％，WC：9wt.％，TaC：6wt.％。
其中一种一体化原位合成碳化物添加的高纯、超细晶Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成Co：8wt.％，Ti：62wt.％，C：3wt.％，BN：12wt.％，WC：12wt.％，TaC：3wt.％。
本发明还提供一种上述超细晶高性能Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料的制备方法，所述方法的具体制备工艺为：首先，把一定比例的原料粉末放入滚筒式球磨机中干混24小时，球磨机转速为400r/min，研磨介质为8mm直径的氧化锆球，球料比8:1。待粉末均匀混合后，放入直径为20mm的圆柱形石墨模具中预压10min，压强为20MPa。然后，把粉末压坯放入真空热压烧结炉中加热到设定温度(室温到800℃，加热速率为10℃/min；800℃以上，加热速率为5℃/min)，保温60min后随炉冷却。烧结温度为1400-1800℃，为获得高致密材料，在900℃致设定温度区间，施加20MPa的单向压力，在1400-1800℃保温时施加单向压力为35-45MPa。
最后，制备出高性能金属陶瓷刀具坯料，磨制成刀片。
采用该工艺合成的Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料XRD检测结果表明，反应完全，反应产物中仅有Co、TiB2、Ti(C,N)、WC和TaC相，表明制备出了高纯的碳氮化钛基金属陶瓷；SEM结果表明晶粒度小于0.2～0.5微米，粘结相和第二相颗粒均匀分布在基体上；致密度大于99％以上，硬度为20-21GPa，断裂韧性为6-8MPa.m1/2。
本发明构思新颖，一步法原位合成的Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料，具有纯度高、晶粒超细，组织致密分布均匀，硬度及断裂韧度高，工艺方法简单，原料成本低，易于实现产业化等优点。该发明还可以广泛应用于模具、耐磨机械零件等耐磨结构件的开发制备。
本发明具有如下有益效果：1、本发明所述刀具材料具有纯度高、晶粒超细，组织致密分布均匀，硬度及断裂韧度高等优点，可以广泛应用于模具、耐磨机械零件等耐磨结构件的开发制备；2、本发明制备刀具材料的方法工艺方法简单，原料成本低，易于实现产业化；3、本发明方法制得的金属陶瓷刀具与传统的金属陶瓷刀具相比，具有更高的硬度和耐磨性，其热稳定性，耐磨性，导热性，抗氧化性以及高温硬度，高温强度，切削性能都有明显优势。
附图说明
图1为本发明实施例1一步法原位合成的Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料优化样品及已磨制成形刀片；
图2为本发明实施例1一步法原位合成的Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料优化样品的抛光SEM图；
图3为本发明实施例1一步法原位合成的Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料优化样品的断口SEM图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
以下各实施例所述用于制成刀片可进行切削相应材料的金属陶瓷材料为最优选而已，并不用于限制本发明。相关技术人员依然可以根据前述方案做相应修改。或者对其中部分技术特征做等同替换。凡在本发明精神和原则之内做的任何修改，等同替换和改进等。均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1：
按照附表1中的组分比例的原料粉末放入滚筒式球磨机中干混24小时，球磨机转速为400r/min，研磨介质为8mm直径的氧化锆球，球料比8:1。待粉末均匀混合后，取出过100目筛，然后称取一定质量的粉末放入直径为20mm的圆柱形石墨模具中预压10min，压强为20MPa。再把装有粉末压坯的石墨模具放入真空热压烧结炉中加热到设定温度(室温到800℃，加热速率为10℃/min；800℃以上，加热速率为5℃/min)，保温60min后随炉冷却。烧结温度为1400℃～1800℃，为获得高致密材料，在900℃致设定温度区间，施加20MPa的单向压力，保温时施加单向压力为35MPa。试样的机械性能如表1所示。
实施例2：
刀具材料成分为：Co：8wt.％(纯度99wt.％，粒度<1μm)，Ti：62wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，C：3wt.％(纯度98wt.％，粒度<1μm)，BN：12wt.％(纯度99wt.％，粒度<0.5μm)，WC：3wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)，TaC：12wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。
具体制备工艺为：将原料粉末放入滚筒式球磨机中干混24小时，球磨机转速为400r/min，研磨介质为8mm直径的氧化锆球，球料比8:1。待粉末均匀混合后，取出过100目筛，然后称取一定质量的粉末放入直径为20mm的圆柱形石墨模具中预压10min，压强为20MPa。再把装有粉末压坯的石墨模具放入真空热压烧结炉中加热到设定温度(室温到800℃，加热速率为10℃/min；800℃以上，加热速率为5℃/min)，保温60min后随炉冷却。烧结温度1400℃～1800℃，为获得高致密材料，在900℃致设定温度区间，施加20MPa的单向压力，保温时施加单向压力为35-45MPa。
刀片磨制及使用：将最优选Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料在磨床上用金刚石砂轮磨成各种标准刀片。刀片角度和切削参数相同的条件下，精加工304L奥氏体不锈钢时，其被加工材料的表面光洁度满足要求时，刀具寿命都优于Ti(C,N)金属陶瓷刀具和硬质合金刀具。其切削长度为硬质合金的8倍，是金属陶瓷刀具的3倍。
实施例3：
刀具材料成分为：Co：8wt.％(纯度99wt.％，粒度<1μm)，Ti：62wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，C：3wt.％(纯度98wt.％，粒度<1μm)，BN：12wt.％(纯度99wt.％，粒度<0.5μm)，WC：6wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)，TaC：9wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。
具体制备工艺为：将原料粉末放入滚筒式球磨机中干混24小时，球磨机转速为400r/min，研磨介质为8mm直径的氧化锆球，球料比8:1。待粉末均匀混合后，取出过100目筛，然后称取一定质量的粉末放入直径为20mm的圆柱形石墨模具中预压10min，压强为20MPa。再把装有粉末压坯的石墨模具放入真空热压烧结炉中加热到设定温度(室温到800℃，加热速率为10℃/min；800℃以上，加热速率为5℃/min)，保温60min后随炉冷却。烧结温度1400℃～1800℃，为获得高致密材料，在900℃致设定温度区间，施加20MPa的单向压力，保温时施加单向压力为35-45MPa。
刀片磨制及使用：将最优选Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料在磨床上用金刚石砂轮磨成各种标准刀片。刀片角度和切削参数相同的条件下，精加工GCr15淬硬钢时，其满足被加工材料的表面光洁度要求时，刀具寿命都优于Ti(C,N)金属陶瓷刀具和硬质合金刀具。其切削长度为硬质合金的6倍，是金属陶瓷刀具的2倍。
实施例4：
刀具材料成分为：Co：8wt.％(纯度99wt.％，粒度<1μm)，Ti：62wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，C：3wt.％(纯度98wt.％，粒度<1μm)，BN：12wt.％(纯度99wt.％，粒度<0.5μm)，WC：9wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)，TaC：6wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。
具体制备工艺为：将原料粉末放入滚筒式球磨机中干混24小时，球磨机转速为400r/min，研磨介质为8mm直径的氧化锆球，球料比8:1。待粉末均匀混合后，取出过100目筛，然后称取一定质量的粉末放入直径为20mm的圆柱形石墨模具中预压10min，压强为20MPa。再把装有粉末压坯的石墨模具放入真空热压烧结炉中加热到设定温度(室温到800℃，加热速率为10℃/min；800℃以上，加热速率为5℃/min)，保温60min后随炉冷却。烧结温度1400℃～1800℃，为获得高致密材料，在900℃致设定温度区间，施加20MPa的单向压力，保温时施加单向压力为35-45MPa。
刀片磨制及使用：将最优选Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料在磨床上用金刚石砂轮磨成各种标准刀片。刀片角度和切削参数相同的条件下，精加工H13淬硬钢时，其满足被加工材料的表面光洁度要求时，刀具寿命都优于Ti(C,N)金属陶瓷刀具和硬质合金刀具。其切削长度为硬质合金的8倍，是金属陶瓷刀具的3倍。
以上案例中的刀具材料成分还可以为：
刀具材料成分为：Co：8wt.％(纯度99wt.％，粒度<1μm)，Ti：62wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，C：3wt.％(纯度98wt.％，粒度<1μm)，BN：12wt.％(纯度99wt.％，粒度<0.5μm)，WC：12wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)，TaC：3wt.％(纯度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。
表1实施例1-4参数及烧结体性能附表

Claims (5)

1.一种超细晶高性能Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所述刀具材料为一步法原位反应合成，其主要组分由以下原材料组成：Co：8wt.％，Ti：62wt.％，C：3wt.％，BN：12wt.％，WC：3-12wt.％，TaC：3-12wt.％，其中，WC+TaC：15wt.％。
2.一种如权利要求1所述的超细晶高性能Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
首先，将配比好的原料粉末放入滚筒式球磨机中干混24小时，待粉末均匀混合后，放入圆柱形石墨模具中预压10min，压强为20MPa；
然后，把粉末压坯放入真空热压烧结炉中加热到设定温度，保温60min后随炉冷却；烧结温度为1400℃～1800℃，为获得高致密材料，在900℃致设定温度区间，施加20MPa的单向压力，在1550℃～1800℃保温时施加单向压力为34-45MPa。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，最后还包括制备出高性能金属陶瓷刀具坯料，磨制成刀片。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨机的转速为400r/min，研磨介质为8mm直径的氧化锆球，球料比8:1。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结炉加热设定温度为：室温到800℃，加热速率为10℃/min；800℃以上，加热速率为5℃/min。
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