CN109881070B - 一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于切削刀具技术领域，公开了一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷及其制备方法和应用。所述金属陶瓷是将TiC0.5N0.5、WC、Ni、Co、Mo和NbC球磨后得混合粉末，经干燥后再混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒，成型后在1525～1575℃烧结并保温2.5～4.5h制得；所述TiC0.5N0.5、WC、Ni、Co、Mo和NbC的质量比为(60～70)：(5～15)：7：7：6：5。本发明的金属陶瓷具有高硬度和高强度，可以应用在刀具切削领域中。
Description
技术领域
本发明属于切削刀具技术领域，更具体地，涉及一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
Ti(C,N)基金属陶瓷因具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱、耐磨损等优良性能而被广泛应用于刀具、模具等。在高温切削加工时，金属陶瓷刀具不但具有优良的抗粘附性和热稳定性，还拥有比硬质合金刀具更好的高温红硬性、耐磨性和抗氧化性，并且具有自润滑性能。在日本，金属陶瓷刀具的应用占全部刀具的35％以上，欧美等国也达到20％以上，而在我国，金属陶瓷刀具和陶瓷刀具主要依靠进口，金属陶瓷刀具的使用量仅占刀具总量的3％。由此可见，我国金属陶瓷刀具的研发与生产应用远远落后于发达国家。为实现把我国建设成为全球制造业强国的梦想，必须加快我国金属陶瓷刀具研发、生产与推广应用，以改善加工业的加工精度和产品表面光洁度，提高加工业的加工效率，保证制造业零部件的高质量，全面提高我国制造业水平。虽然Ti(C,N)基金属陶瓷刀具比传统的硬质合金刀具有更好的高温红硬性、耐磨性和抗氧化性，但是冲击韧性、断裂强度较差及高温强度不够是其致命的缺点。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明首要目的在于提供一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷。
本发明的另一目的在于提供上述具有高硬度和高韧性的陶瓷的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述具有高硬度和高韧性的陶瓷的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷，所述金属陶瓷是将TiC0.5N0.5、WC、Ni、Co、Mo和NbC球磨后得混合粉末，经干燥后再将混合粉末加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒，成型后在1525～1575℃烧结并保温制得；所述TiC0.5N0.5、WC、Ni、Co、Mo和NbC的质量比为(60～70)：(5～15)：7：7：6：5。
优选地，所述TiC0.5N0.5的粒径为100～150nm，所述WC、Ni、Co、Mo和NbC的粒径为1～5μm。
优选地，所述保温的时间为2.5～4.5h。
优选地，所述混合粉末和聚乙烯醇的质量比为1：(1.5～3)。
所述的具有高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将TiC0.5N0.5，WC，Ni，Co，Mo和NbC进行配粉，将WC-C硬质合金球，再加入无水乙醇，对混合粉末进行球磨24～48h；
S2.将混合粉末放在55～100℃进行干燥处理；
S3.在混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒，在压力为240～300MPa，保压下压制成毛坯；
S4.将毛坯烘干后再放入真空炉中，在温度1525～1575℃进行烧结，制成具有高硬度和高韧性的金属陶瓷。
优选地，步骤S1中所述WC-C硬质合金球的直径为10～15mm；所述球磨的时间为24～48h。
优选地，步骤S2中所述干燥时间为10～20h；步骤S3中所述保压的时间为5～15min。
优选地，步骤S4中所述烧结的时间为2.5～4.5h。
所述的具有高硬度和高韧性的金属陶瓷的在刀具切削领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的Ti(C,N)及WC是金属陶瓷的硬质相，Ni，Co为主要的粘结相，由于Co具有比Ni更高的韧性和硬度，与硬质相润湿好，能减少合金孔隙度，故以Co取代部分Ni可使金属陶瓷具有高硬度和高强度的良好匹配。而Mo和Nbc能显著改善液态金属对硬质相的润湿性，烧结时能抑制碳化物相晶粒的长大，对烧结后金属陶瓷的性能影响也很大。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.按照62wt％的TiC0.5N0.5，13wt％的WC，7wt％的Ni，7wt％的Co，6wt％的Mo，5wt％的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C硬质合金球(YG8)，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨。
2.混料24小时后，将混合粉末放在温度为353K的电热干燥箱中进行干燥处理，使粉末充分干燥。
3.干燥后，在混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒。通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。采用冷压成型的方法在专用模具中加压成型，压制压力为240MPa，保压时间为5min。
4.将压制成型的毛坯放入烘箱中烘干，烘干后再放入真空炉中，在温度1525℃进行烧结并保温2.5h(具体升温和保温时间为：0～800℃升温1h；800℃保温0.5h，800～1200℃升温0.5h，1200℃保温0.5h，1200～1525℃升温0.6h，1525℃保温3h)，即可制成金属陶瓷。
性能测试：所得金属陶瓷的抗弯强度为2285MPa，硬度为92HRA，密度为6.88g/cm3。
实施例2
1.按照65wt％的TiC0.5N0.5，15wt％的WC，7wt％的Ni，7wt％的Co，6wt％的Mo，5wt％的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C硬质合金球(YG8)，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨。
2.混料24小时后，将混合粉末放在温度为353K的电热干燥箱中进行干燥处理，使粉末充分干燥。
3.干燥后，在混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒。通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。采用冷压成型的方法在专用模具中加压成型，压制压力为240MPa，保压时间为5min。
4.将压制成型的毛坯放入烘箱中烘干，烘干后再放入真空炉中，在温度1550℃进行烧结并保温2.5h(具体升温和保温时间为：0～800℃升温1h；800℃保温0.5h，800～1200℃升温0.5h，1200℃保温0.5h，1200～1550℃升温0.6h，1550℃保温3h，)，即可制成金属陶瓷。
性能测试：所得金属陶瓷的抗弯强度为2163MPa，硬度为91HRA，密度为6.85g/cm3。
实施例3
1.按照70wt％的TiC0.5N0.5，5wt％的WC，7wt％的Ni，7wt％的Co，6wt％的Mo，5wt％的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C硬质合金球(YG8)，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨。
2.混料24小时后，将混合粉末放在温度为353K的电热干燥箱中进行干燥处理，使粉末充分干燥。
3.干燥后，在混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒。通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。采用冷压成型的方法在专用模具中加压成型，压制压力为240MPa，保压时间为5min。
4.将压制成型的毛坯放入烘箱中烘干，烘干后再放入真空炉中，在温度1560℃进行烧结并保温2.5h(具体升温和保温时间为：0～800℃升温1h；800℃保温0.5h，800～1200℃升温0.5h，1200℃保温0.5h，1200～1560℃升温1h，1560℃保温3h)，即可制成金属陶瓷。
性能测试：所得金属陶瓷的抗弯强度为2326MPa，硬度为93HRA，密度为6.82g/cm3。
实施例4
1.按照60wt％的TiC0.5N0.5，15wt％的WC，7wt％的Ni，7wt％的Co，6wt％的Mo，5wt％的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C硬质合金球(YG8)，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨。
2.混料24小时后，将混合粉末放在温度为353K的电热干燥箱中进行干燥处理，使粉末充分干燥。
3.干燥后，在混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒。通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。采用冷压成型的方法在专用模具中加压成型，压制压力为240MPa，保压时间为5min。
4.将压制成型的毛坯放入烘箱中烘干，烘干后再放入真空炉中，在温度1575℃进行烧结并保温2.5h(具体升温和保温时间为：0～800℃升温1h；800℃保温0.5h，800～1200℃升温0.5h，1200℃保温0.5h，1200～1275℃升温1h，1575℃保温3h)，即可制成金属陶瓷。
性能测试：所得金属陶瓷的抗弯强度为2326MPa，硬度为93HRA，密度为6.9g/cm3。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1. 按照60wt%的TiC0.5N0.5，15wt%的WC，7wt%的Ni，7wt%的Co，6wt%的Mo，5wt%的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C 硬质合金球 YG8，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨；
S2. 混料24小时后，将混合粉末放在温度为353K的电热干燥箱中进行干燥处理，使粉末充分干燥；
S3. 干燥后，在混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒；通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦；采用冷压成型的方法在专用模具中加压成型，压制压力为240MPa，保压时间为5min；
S4. 将压制成型的毛坯放入烘箱中烘干，烘干后再放入真空炉中，在温度1575℃进行烧结并保温2.5h；具体升温和保温时间为：0~800℃升温1h；800℃保温0.5h，800~1200℃升温0.5h，1200℃保温0.5h，1200~1275℃升温1h，1575℃保温3h，制成金属陶瓷；所述金属陶瓷的抗弯强度为2326MPa，硬度为93HRA，密度为6.9g/cm3。
2.根据权利要求1所述的具有高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述TiC0.5N0.5的粒径为100~150nm，所述WC、Ni、Co、Mo和NbC的粒径为1~5μm。
3.一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述金属陶瓷是由权利要求1或2所述的方法制备得到。
4.一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1. 按照70wt%的TiC0.5N0.5，5wt%的WC，7wt%的Ni，7wt%的Co，6wt%的Mo，5wt%的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C 硬质合金球 YG8，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨；
S2. 混料24小时后，将混合粉末放在温度为353K的电热干燥箱中进行干燥处理，使粉末充分干燥；
S3. 干燥后，在混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒；通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦；采用冷压成型的方法在专用模具中加压成型，压制压力为240MPa，保压时间为5min；
S4. 将压制成型的毛坯放入烘箱中烘干，烘干后再放入真空炉中，在温度1560℃进行烧结并保温2.5h；具体升温和保温时间为：0~800℃升温1h；800℃保温0.5h，800~1200℃升温0.5h，1200℃保温0.5h，1200~1560℃升温1h，1560℃保温3h，制成金属陶瓷；所述金属陶瓷的抗弯强度为2326MPa，硬度为93HRA，密度为6.82g/cm3。
5.根据权利要求4所述的具有高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述TiC0.5N0.5的粒径为100~150nm，所述WC、Ni、Co、Mo和NbC的粒径为1~5μm。
6.一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述金属陶瓷是由权利要求4或5所述的方法制备得到。
7.一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1. 按照62wt%的TiC0.5N0.5，13wt%的WC，7wt%的Ni，7wt%的Co，6wt%的Mo，5wt%的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C 硬质合金球 YG8，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨；
S2. 混料24小时后，将混合粉末放在温度为353K的电热干燥箱中进行干燥处理，使粉末充分干燥；
S3. 干燥后，在混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒；通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦；采用冷压成型的方法在专用模具中加压成型，压制压力为240MPa，保压时间为5min；
S4. 将压制成型的毛坯放入烘箱中烘干，烘干后再放入真空炉中，在温度1525℃进行烧结并保温2.5h；具体升温和保温时间为：0~800℃升温1h；800℃保温0.5h，800~1200℃升温0.5h，1200℃保温0.5h，1200~1525℃升温0.6h， 1525℃保温3h，制成金属陶瓷；所述金属陶瓷的抗弯强度为2285MPa，硬度为92HRA，密度为6.88g/cm3。
8.根据权利要求7所述的具有高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述TiC0.5N0.5的粒径为100~150nm，所述WC、Ni、Co、Mo和NbC的粒径为1~5μm。
9.一种具有高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述金属陶瓷是由权利要求7或8所述的方法制备得到。
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