CN108018473A - 固溶体及其制成的金属陶瓷刀具材料 - Google Patents
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Abstract
本发明固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45及其制成的金属陶瓷刀具材料,解决金属陶瓷刀具材料中存在大量(W,Ti,Ta)CN的结构相,影响刀具材料的稳定性的问题。为由WC为W源,TiO2作为Ti源,Ta2O5作为Ta源,再配以炭黑粉末,在H2、N2气氛下进行还原碳化‑固溶反应,制得的固溶体粉末,固溶体平均粒度为2‑3微米。按照配方,将平均粒径分别为1μm的Co、Ni,1‑2μm的Mo2C、TiC0.5N0.5以及2‑3μm的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45按比例混合,制成金属陶瓷刀具材料。
Description
技术领域
本发明与固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45及其制成的金属陶瓷刀具材料有关。
背景技术
为了改善TiCN金属陶瓷刀具材料的切削性能,人们常加入WC,TaC来改善金属陶瓷刀具材料的高温红硬性,以扩大金属陶瓷刀具的应用范围。一般情况下都是以WC,TaC单质形式加入。科学工作者经过大量的试验发现金属陶瓷刀具材料中存在大量(W,Ti,Ta)CN的结构相,影响刀具材料的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种成分可控,氧含量很低≤0.5%,粉末具有较高的纯度的(W,Ti,Ta)C0.55N0.45固溶体,本发明的另一目的是提供用(W,Ti,Ta)C0.55N0.45固溶体制备的具备高強度、高硬度、高韧性的金属陶瓷刀具材料。
本发明是这样实现的:
固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45,其特征在于为由WC为W源,TiO2作为Ti源,Ta2O5作为Ta源,再配以炭黑粉末,在H2、N2气氛下进行还原碳化-固溶反应,制得的固溶体粉末,固溶体平均粒度为2-3微米。
所述(W,Ti,Ta)C0.55N0.45固溶体中WC:TaC:TiC:TiN=15-30:10-20:20-40:20-40。
所述(W,Ti,Ta)C0.55N0.45固溶体中WC:TaC:TiC:TiN的质量比为18:13:33:36。
固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45的制备步骤如下:
第一步,配料:根据固溶体的组成和粒度要求,分别称取相应粒度的原料粉末,所用原料:WC,TiO2粉末,Ta2O5,并以炭黑作为还原剂;
第二步,混料:以酒精作为球磨介质,通过滚动球磨对原料进行均匀混合,球料比4 :1,混料时间为10小时,得混合物料浆;
第三步,干燥:将预处理后的混合物料浆转入真空干燥箱内,于-0.04Mpa压力下,在70-80℃下干燥后将混合料取出擦筛,得到粒径为0.5-1mm的混合料粉末;
第四步,压制:将混合料粉末以0.6MPa的压力压制成一定形状的料坯;
第五步,碳化:压制好的料坯转入反应器中,先在1700-1800℃温度下通H2碳化还原反应2小时,最终于通N2气体的条件下1900℃固溶3-5小时,反应制备出固溶体粉末。
固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45制成的金属陶瓷刀具材料,由粘结相Co含量6wt.%-10wt.%,粘结相Ni含量为6wt.%-10wt.%,Mo2C的含量为8wt.%-10wt.% ,固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45的含量为20wt.%-40wt.%,其余为TiC0.5N0.5制成,金属陶瓷刀具材料中Co、Ni的平均粒径为0.8-1.0μm,固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45平均粒径为2-3μm、是Mo2C平均粒径的1-1.5倍。
所述的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45制成的金属陶刀具材料,其制备方法如下:
按照配方,将平均粒径分别为1μm的Co、Ni, 1-2μm的Mo2C以及2-3μm的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45及TiC0.5N0.5按比例混合,以己烷为湿磨介质,每公斤粉末加400毫升,球料比为4:1,球磨时间72小时,球磨后再掺石蜡混合2小时,干燥制粒后压成刀片毛坯,先在10-20乇的N2气氛中烧到600-1200℃,然后在20-40乇通N2气氛中,烧到温度1200-1500℃,再在真空条件下于 1500℃,保温70-90min,最终真空快冷至室温。
本发明直接将W 、Ta、Ti元素制备为固溶体(W,Ta,Ti)C0.55N0.45来制备新型金属陶瓷刀具材料, 所制得粉末成分基本与设计值相符,成分可控,氧含量很低≤0.5%,粉末具有较高的纯度(99.5%)。固溶体(W,Ta,Ti)C0.55N0.45可提高刀具材料的品质,生产出高強度、高硬度、高韧性金属陶瓷刀具材料。加入固溶体(W,Ta,Ti)C0.55N0.45的材料抗弯强度为1926MPa,比单质加入的材料提高约20%,同时韧性KIC由单质加入的8.9提高到11.8,提高约25%,硬度HRA提高1度,为HRA92.5。
具体实施方式
实施例1:
固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45的制备方法,其步骤是:
第一步,配料:根据固溶体的组成和粒度要求,分别称取相应粒度的原料粉末。所用WC为原料,Ti源为TiO2粉末,Ta源为Ta2O5,其质量配比为WC:Ta2O5∶TiO2=11.2∶9.3∶56.6,并以22.9%炭黑作为还原剂;
第二步,混料:以酒精作为球磨介质,通过滚动球磨对原料进行均匀混合,球料比4 ∶1,混料时间为10小时;
第三步,干燥:将预处理后的混合物料浆转入真空干燥箱内,于-0.04Mpa压力下,在75℃下干燥后将混合料取出擦筛,得到粒径为0.5-1mm的混合料粉末;
第四步,压制:将混合料粉末以0.6MPa的压力压制成一定形状的料坯;
第五步,碳化:压制好的料坯转入真空反应器中,先在H2下1700℃温度还原反应2小时,在N2气氛1900℃下固溶3小时,反应制备出固溶体粉末(W0.07Ta0.05Ti0.88)(C0.55N0.45)。
固溶体粉末化学组成:见表1。
表1:固溶体化学成份
元素 | W% | Ti% | Ta% | CT% | CF% | N% | O% |
测试值 | 16.21 | 54.0 | 12.21 | 8.05 | 0.02 | 8.0 | 0.3 |
由上表可以看出所制得粉末成分基本与设计值相符,成分可控,氧含量很低≤0.5%,粉末具有较高的纯度(99.5%)。
实施例2:
将实施例1制得的固溶体(W0.07Ta0.05Ti0.88)(C0.55N0.45),按照配方:重量百分比,Co含量8wt.%,Ni含量8wt.%,Mo2C含量10wt.%,固溶体(W0.07Ta0.05Ti0.88)C0.55N0.45含量30%,其余为TiC0.5N0.5。将平均粒径分别为1-2μm的Mo2C、1.5-2.5μm的固溶体(W0.07Ta0.05Ti0.88)C0.55N0.45、以及1μm的Co、Ni按上述配方混合,以己烷为湿磨介质,每公斤粉末加400毫升,球料比为5:1,球磨时间72小时,球磨后再掺石蜡4%混合2h,干燥制粒后压成刀片毛坯,先在10-20乇的N2气氛中烧到600-1200℃,然后在20-40乇通N2气氛中,烧到温度1200-1500℃,再在真空条件下于 1500℃,保温70-90min,最终真空快冷至室温,得到新型金属陶瓷刀具材料。
对比试验:
参照实施例2制得的新型金属陶瓷刀具材料的成份用传统形式加入WC,TaC单质体制得的金属陶瓷刀具材料做机械性能和切削试验对比,具体试验情况如下:
对比例生产方法:
按照配方,将平均粒径分别为1-2μm的Mo2C、1μm的Co、Ni,以传统方式加入WC,TaC单质体、以TiC0.5N0.5方式加入Ti源。按比例混合,以己烷为湿磨介质,每公斤粉末加400毫升,球料比为4:1,球磨时间72h,球磨后再参蜡4%混合2h,干燥制粒后压成刀片毛坯,先在10-20乇的N2气氛中烧到600-1200℃,然后在20-40乇通N2气氛中,烧到温度1200-1500℃,再在真空条件下于 1500℃,保温70-90min,最终真空快冷至室温。
将两种化学成份相似的配方在相同的工艺条件下制备得到两种金属陶瓷刀具材料,分别标记为不同刀具材料1、2,其物理力学性能如下表2,如表2可以看出:加入固溶体的材料抗弯强度为1926MPa,比单质加入的材料提高约20%,同时韧性KIC由单质加入的8.9提高到11.8,提高约25%,硬度HRA提高1度,为HRA92.5。
表2 加入不同固溶体刀具材料性能
Claims (6)
1.固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.4,其特征在于为由WC为W源,TiO2作为Ti源,Ta2O5作为Ta源,再配以炭黑粉末,在H2、N2气氛下进行还原碳化-固溶反应,制得的固溶体粉末,固溶体平均粒度为2-3微米。
2.根据权利要求1所述的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45,其特征在于(W,Ti,Ta)C0.55N0.45固溶体中WC:TaC:TiC:TiN=15-30:10-20:20-40:20-40。
3.根据权利要求1所述的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45,其特征在于(W,Ti,Ta)C0.55N0.45固溶体中WC:TaC:TiC:TiN的质量比为18:13:33:36。
4.根据权利要求1所述的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45,其特征在于固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45的制备步骤如下:
第一步,配料:根据固溶体的组成和粒度要求,分别称取相应粒度的原料粉末,所用原料:WC,TiO2粉末,Ta2O5,并以炭黑作为还原剂;
第二步,混料:以酒精作为球磨介质,通过滚动球磨对原料进行均匀混合,球料比4 :1,混料时间为10小时,得混合物料浆;
第三步,干燥:将预处理后的混合物料浆转入真空干燥箱内,于-0.04Mpa压力下,在70-80℃下干燥后将混合料取出擦筛,得到粒径为0.5-1mm的混合料粉末;
第四步,压制:将混合料粉末以0.6MPa的压力压制成一定形状的料坯;
第五步,碳化:压制好的料坯转入反应器中,先在1700-1800℃温度下通H2碳化还原反应2小时,最终于通N2气体的条件下1900℃固溶3-5小时,反应制备出固溶体粉末。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45制成的金属陶瓷刀具材料,其特征在于由粘结相Co含量6wt.%-10wt.%,粘结相Ni含量为6wt.%-10wt.%,Mo2C的含量为8wt.%-10wt.% ,固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45含量为20%-40%,其余为TiC0.5N0.5制成,金属陶瓷刀具材料中Co、Ni的平均粒径为0.8-1.0μm,固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45平均粒径为2-3μm、是Mo2C平均粒径的1-1.5倍。
6.根据权利要求5所述的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45制成的金属陶刀具材料,其特征在于其制备方法如下:
按照配方,将平均粒径分别为1μm的Co、Ni, 1-2μm的Mo2C以及2-3μm的固溶体(W,Ti,Ta)C0.55N0.45及TiC0.5N0.5按比例混合,以己烷为湿磨介质,每公斤粉末加400毫升,球料比为4:1,球磨时间72小时,球磨后再掺石蜡混合2小时,干燥制粒后压成刀片毛坯,先在10-20乇的N2气氛中烧到600-1200℃,然后在20-40乇通N2气氛中,烧到温度1200-1500℃,再在真空条件下于 1500℃,保温70-90min,最终真空快冷至室温。
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