CN107829054A - 一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强韧性金属陶瓷材料及其制备方法，属于金属陶瓷材料制备技术领域。所述高强韧性金属陶瓷材料所用原料由以下组份按重量百分比组成：碳氮化钛粉末35～65％；碳氮化钛晶须0.5～8％；M 10～20％，所述M由钴、镍组成；添加剂A10～30％，所述添加剂A由碳化钨、碳化钼组成；余量为碳化钽；各组分重量百分之和为100％；其中，碳氮化钛粉末的粒度为2～4μm，碳氮化钛晶须直径1～2μm，长度15～20μm。其制备方法为：按设计组分配取各原料后，混合均匀并压制成型，然后在1420～1520℃进行烧结；得到成品。本发明组分设计合理，所得产品性能优良，便于大规模的工业化应用和生产。

Description

一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强韧性金属陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种采用碳氮化钛晶须增强增韧碳氮化钛基金属陶瓷材料及其制备方法，属于金属陶瓷材料制备技术领域。
背景技术
Ti(C，N)基金属陶瓷是以Ti(C，N)做为硬质相，以Co、Ni等金属做为粘接相，并加入有WC、Mo2C、TaC、NbC等碳化物作为改善性能添加剂的复合材料。Ti(C，N)基金属陶瓷具有熔点高、硬度大、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化以及良好的导电、导热性等一系列优点，广泛应用于制备高速切削工具、模具等块体和结构材料以及金属表面的涂覆材料等许多领域。由于Ti资源储量丰富，Ti(C，N)基金属陶瓷已成为WC-Co基硬质合金的主要代替品之一。经过30多年的发展，Ti(C，N)基金属陶瓷的研究已经取得了长足进展。
目前金属陶瓷的研究集中在WC、Mo2C、NbC等碳化物的添加，通过碳化物的添加改进硬质相的性能，强化粘结相，控制环形相的厚度和改进环形相的结构和性能等等，最终达到提高材料的强韧性目的。但是，随着Ti(C，N)基金属陶瓷材料在高速切削、冲压模具等应用领域的拓展，对Ti(C，N)基金属陶瓷材料的硬度、抗弯强度和断裂韧性提出了更高的要求。文件1(SiC晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片及其制备方法，ZL200710034792.4)在Ti(C，N)基金属陶瓷中添加SiC晶须以试图提高金属陶瓷综合力学性能，但是外加的SiC与Ti(C，N)基金属陶瓷中粘结相润湿性很差且不与其他外加碳化物发生扩散反应，因此SiC晶须强韧化金属陶瓷的效果较差。因此，金属陶瓷应用领域拓展迫切需要不断提高其硬度、韧性和抗弯强度。文件2(一种TiC晶须增强金属陶瓷及其制备方法，ZL201410289095.3)在材料合成过程中采用纳米Ti(C，N)粉末与碳化物反应全部成为固溶体，仅有外加的TiC晶须与碳化物反应生成核壳结构，导致其硬度和强度偏低，且不能发挥Ti(C，N)颗粒在切削过程中低摩擦系数和被加工材料高光洁度的优势。
发明内容
本发明旨在解决的技术问题是，针对碳氮化钛基金属陶瓷在切削服役过程中强韧性方面不足的问题，提出一种采用碳氮化钛晶须增强增韧碳氮化钛基金属陶瓷材料。采用该方法所制备碳氮化钛晶须作为外加强化相的碳氮化钛基金属陶瓷，材料的抗弯强度、断裂韧性性能均优于现有的金属陶瓷产品。
本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，其原料由以下组份按重量百分比组成：
碳氮化钛粉末：35～65％、优选为37～62％、进一步优选为37～45％；
碳氮化钛晶须：0.5～8％、优选为3～8％、进一步优选为5～8％；
M：10～20％、优选为15～20％、进一步优选为18～20％，所述M由钴、镍组成；
添加剂A：10～30％、优选为15～30％、进一步优选为24～27％；所述添加剂A由碳化钨、碳化钼组成；
余量为碳化钽；
各组分重量百分之和为100％；
其中，碳氮化钛粉末的粒度为2～4μm，碳氮化钛晶须直径1～2μm，长度15～20μm。
本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，所述M中，钴与镍质量比为0.5～1:1。优选为1:1。
本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，所述添加剂A中碳化钨、碳化钼的质量比为10～20:5～7。优选为17～20：7。
本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，所述M的粒度为1～3μm。
本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，所述添加剂A的粒度为1～2μm。
本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，所述碳化钽的粒度为1～3μm。
本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，包括下述步骤：
第一步
按设计的金属陶瓷材料的原料配取各组分，然后配取成型剂，混合均匀，压制成型，得到压坯；
第二步
将第一步所得压坯置于保护气氛中于1420～1520℃进行烧结，冷却，得到高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料。
作为优选，本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，按设计的金属陶瓷材料的原料配取各组分，然后按球料质量比(6～8):1，将磨球和配取的碳氮化钛粉末、M、添加剂A以及磨球加入球磨设备中，以150～300转/分钟的速度球磨18～55小时，然后再将配取的碳氮化钛晶须加入球磨设备中继续球磨2～5小时，得到混合粉末；接着按质量比，混合粉末：成型剂＝100:2～5，配取成型剂，将混合粉末和成型剂混合均匀后，取粒度为10～100微米的颗粒在100～300MPa的压力下压制成型，得到压坯。
作为优选，本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，所述成型剂优选为石蜡。
作为优选，本发明一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，所述保护气氛为真空气氛或氩气气氛。所述真空气氛的真空度为0.01～1Pa。
经优化后，本发明所得产品的性能为：硬度为HRA92.5～93，抗弯强度为2560～2850MPa,断裂韧性为13.6～14.9MPam1/2。
本发明由于采用上述组份配比及制备工艺，采用碳氮化钛晶须作为碳氮化钛基金属陶瓷的强化相，烧结过程中可以在碳氮化钛晶须的表面与碳化钨、碳化钼等形成固溶体，以提高碳氮化钛晶须和粘结相的润湿性(如图2所示)。与文件1相比，加入碳氮化钛晶须解决了SiC晶须界面润湿性差的问题，有效地提高了基体材料对外加入纤维材料的把持效果。与文件2相比，本发明在加入碳氮化钛晶须形成纤维状芯环结构固溶体的同时，保留了传统金属陶瓷中碳氮化钛/固溶体的芯环结构，这保证了在高速切削过程中刀具材料的低摩擦系数、长寿命和被加工材料的高光洁度。同时，本发明所得成品中，碳氮化钛晶须与基体界面结合良好，达到了对金属陶瓷基体有纤维增强的效果，提高了金属陶瓷的强度。本发明中纤维状碳存在的氮化钛还可以有效抑制裂纹在金属陶瓷中的扩展，提高材料的断裂韧性。
与普通金属陶瓷相比，本发明具有以下优点：
1.本发明采用碳氮化钛晶须作为增强相合成碳氮化钛基金属陶瓷材料，其抗弯强度和断裂韧性均优于现有金属陶瓷。
2.在碳氮化钛晶须的表面与碳化钨、碳化钼等形成固溶体，可以提高晶须和粘结相的润湿性，通过与基体有良好界面结合的外加晶须结构对金属陶瓷基体起到纤维增强的效果，纤维状碳氮化钛的存在也可以有效抑制裂纹在金属陶瓷中的扩展，以提高材料的强度和断裂韧性。
3.碳氮化钛晶须可以有效提高金属陶瓷的抗冲击性能及切削性能，拓展金属陶瓷的应用领域，具有工业化规模生产的前景。
附图说明
附图1为本发明对比例制备的Ti(C,N)基金属陶瓷扫描电镜照片。
附图2为本发明实施例1制备的碳氮化钛晶须增强增韧Ti(C,N)基金属陶瓷扫描电镜照片。
具体实施
对比例1：
按设计的金属陶瓷材料组份质量配比称取原料，(碳氮化钛粉末：50％(粒度为3微米)；钴:9％(粒度为2微米)；镍:9％(粒度为3微米)；碳化钽8％(粒度为3微米)，碳化钼7％(粒度为2微米)，碳化钨：17％(粒度为2微米))，在行星式球磨机中球料比为6:1，以250转/分钟的速度球磨50小时混合球磨，制备得合金粉末混合物；在所得合金粉末混合物中加入2wt％的石蜡作为成型剂，搅拌均匀、过筛后取粒度为20-50微米的颗粒在模具中模压制成压坯，所述模压压力为100MPa；将上述所得压坯置于氩气气氛中进行烧结，烧结温度为1460℃，压力为6MPa，随炉冷却，得到本发明中对比例的金属陶瓷材料。制备的金属陶瓷材料硬度为HRA92.6，抗弯强度为2300MPa,断裂韧性为12.6MPam1/2。
实施例1
按设计的金属陶瓷材料组份质量配比称取原料，(碳氮化钛粉末：45％(粒度为3微米)；钴:9％(粒度为2微米)；镍:9％(粒度为2微米)；碳化钽8％(粒度为3微米)，碳化钼7％(粒度为2微米)，碳化钨：17％(粒度为2微米))，在行星式球磨机中球料比6:1，以250转/分钟的速度球磨46小时混合球磨，将用酒精超声波分散的5％碳氮化钛晶须(碳氮化钛晶须直径1～2μm，长度15～20μm)加入混合料混合4小时，制备得合金粉末混合物；在所得合金粉末混合物中加入2wt％的石蜡作为成型剂，搅拌均匀、过筛后取粒度为20-50微米的颗粒在模具中模压制成压坯，所述模压压力为100MPa；将上述所得压坯置于氩气气氛中进行烧结，烧结温度为1460℃，压力为6MPa，随炉冷却，得到本发明的高强韧性Ti(C,N)基金属陶瓷材料。制备的金属陶瓷材料硬度为HRA92.6，抗弯强度为2560MPa,断裂韧性为13.6MPam1/2。
实施例2
按设计的金属陶瓷材料组份质量配比称取原料，(碳氮化钛粉末：62％(粒度为2微米)；钴:5％(粒度为1微米)；镍:5％(粒度为1微米)；碳化钽10％(粒度为2微米)，碳化钼5％(粒度为1微米)，碳化钨：10％(粒度为1微米))，在行星式球磨机中球料比为7:1，以200转/分钟的速度球磨28小时混合球磨，将用酒精超声波分散的3％碳氮化钛晶须(碳氮化钛晶须直径1～2μm，长度15～20μm)加入混合料混合2小时，制备得合金粉末混合物；在所得合金粉末混合物中加入3wt％的石蜡作为成型剂，搅拌均匀、过筛后取粒度为40-80微米的颗粒在模具中模压制成压坯，所述模压压力为200MPa；将上述所得压坯置于氩气气氛中进行烧结，烧结温度为1500℃，压力为8MPa，随炉冷却，得到本发明的高强韧性Ti(C,N)基金属陶瓷材料。制备的金属陶瓷材料硬度为HRA93.0，抗弯强度为2500MPa,断裂韧性为12.5MPam1/2。
实施例3
按设计的金属陶瓷材料组份质量配比称取原料，(碳氮化钛粉末：37％(粒度为3微米)；钴:10％(粒度为2微米)；镍:10％(粒度为2微米)；碳化钽8％(粒度为2微米)，碳化钼7％，碳化钨：20％)，在行星式球磨机中球料比为8:1，以280转/分钟的速度球磨57小时混合球磨，将用酒精超声波分散的8％碳氮化钛晶须(碳氮化钛晶须直径1～2μm，长度15～20μm)加入混合料混合3小时，制备得合金粉末混合物；在所得合金粉末混合物中加入2％的石蜡作为成型剂，搅拌均匀、过筛后，取粒度为20-80微米的颗粒在模具中模压制成压坯，所述模压压力为300MPa；将上述所得压坯置于氩气气氛中进行烧结，烧结温度为1450℃，压力为6MPa，随炉冷却，得到本发明的高强韧性Ti(C,N)基金属陶瓷材料。制备的金属陶瓷材料硬度为HRA92.5，抗弯强度为2800MPa,断裂韧性为14.8MPam1/2。
对比例2
其他组分和操作均匀实施例3一致，不同之处在于，采用了10％的碳氮化钛晶须、8％的镍；其所得产品的性能为：硬度为HRA92.5，抗弯强度仅为2250MPa,断裂韧性仅为12.9MPam1/2。
通过实施例和对比例可以看出，本发明所得产品的综合性能得到一定程度的提升。同时通过实施例3与实施例2的对比，可以看出，优选的技术方案取得了意料不到的效果。

Claims (10)

1.一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于；其原料由以下组份按重量百分比组成：
碳氮化钛粉末35～65％；
碳氮化钛晶须0.5～8％；
M 10～20％，所述M由钴、镍组成；
添加剂A 10～30％，所述添加剂A由碳化钨、碳化钼组成；
余量为碳化钽；
各组分重量百分之和为100％；
其中，碳氮化钛粉末的粒度为2～4μm，碳氮化钛晶须直径1～2μm，长度15～20μm。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于；其原料由以下组份按重量百分比组成：
碳氮化钛粉末37～62％；
碳氮化钛晶须3～8％；
M 15～20％，所述M由钴、镍组成；
添加剂A 15～30％，所述添加剂A由碳化钨、碳化钼组成；
余量为碳化钽；
各组分重量百分之和为100％；
其中，碳氮化钛粉末的粒度为2～4μm，碳氮化钛晶须直径1～2μm，长度15～20μm。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于；其原料由以下组份按重量百分比组成：
碳氮化钛粉末37～45％；
碳氮化钛晶须5～8％；
M 18～20％，所述M由钴、镍组成；
添加剂A 24～27％，所述添加剂A由碳化钨、碳化钼组成；
余量为碳化钽；
各组分重量百分之和为100％；
其中，碳氮化钛粉末的粒度为2～4μm，碳氮化钛晶须直径1～2μm，长度15～20μm。
4.根据权利要求1所述的一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：所述M中，钴与镍质量比为0.5～1:1；所述添加剂A中碳化钨、碳化钼的质量比为10～20:5～7。
5.根据权利要求4所述的一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：所述M中，钴与镍质量比为1:1；所述添加剂A中碳化钨、碳化钼的质量比为17～20：7。
6.根据权利要求1所述的一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：
所述M的粒度为1～3μm；
所述添加剂A的粒度为1～2μm；
所述碳化钽的粒度为1～3μm。
7.一种制备如权利要求1-6任意一项所述高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料的方法，其特征在于；包括下述步骤：
第一步
按设计的金属陶瓷材料的原料配取各组分，然后配取成型剂，混合均匀，压制成型，得到压坯；
第二步
将第一步所得压坯置于保护气氛中于1420～1520℃进行烧结，冷却，得到高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料。
8.根据权利要求7所述的一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：
按设计的金属陶瓷材料的原料配取各组分，然后按球料质量比(6～8):1，将磨球和配取的碳氮化钛粉末、M、添加剂A以及磨球加入球磨设备中，以150～300转/分钟的速度球磨18～55小时，然后再将配取的碳氮化钛晶须加入球磨设备中继续球磨2～5小时，得到混合粉末；接着按质量比，混合粉末：成型剂＝100：2～5，配取成型剂，将混合粉末和成型剂混合均匀后，取粒度为10-100微米的颗粒在100～300MPa的压力下压制成型，得到压坯。
9.根据权利要求8所述的一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述成型剂为石蜡。
10.根据权利要求8所述的一种高强韧性碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述保护气氛为真空气氛或氩气气氛；所述真空气氛的真空度为0.01～1Pa。
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