CN112779450A - 一种不锈钢加工用金属陶瓷材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种不锈钢加工用金属陶瓷材料及制备方法，解决了现有技术中为了达到电子产品良好的外观需求和光洁度效果，传统硬质合金刀具已不能满足光洁度及寿命要求的技术问题。其制备包括下述重量百分比的原料：第一硬质相55.5‑60%；第二硬质相20‑30%；粘结相12‑24%；金属间化合物0‑2%；Ru 0.5‑5%；各原料的重量百分比之和为100%；所述粘结相包括Co、Fe和Ni中的至少一种；所述金属间化合物为纳米级的AlNi、Al3Ni、AlNi3、Al3Ni5中的至少一种。本发明的金属陶瓷材料整体强度高，抗崩性能好且耐磨性好。

Description

一种不锈钢加工用金属陶瓷材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属陶瓷材料，具体涉及一种不锈钢加工用金属陶瓷材料及制备方法。
背景技术
电脑、手机、Pad等电子设备作为5G终端大量使用了不锈钢作为产品的外壳、中框等支撑和保护部件。至2019年，仅国内应用于5G相关不锈钢加工用的铣刀刀具已达10亿元/年的规模。
为了满足耐磨性、美观、耐腐蚀性、实用性等方面的要求，常见的316不锈钢等也不断改型，其加工难度不断上升，硬度普遍达到HRC30以上，而实际加工中，316、316Li等不锈钢存在明显的加工硬化层，硬化层硬度达到HRC60以上，而同时为了达到电子产品良好的外观需求和光洁度效果，对于刀具的刃口、涂层等要求极高，传统硬质合金刀具已不能满足光洁度及寿命要求。
金属陶瓷是一种典型的多元复合材料，其一大应用特点为其在加工应用时具备极好的终加工表面效果，但金属陶瓷因其材料的特性，耐冲击性能较差，在进行高硬度加工时易出现刀具的缺口崩损，同时因其粘结相含量及粘结相特性的问题，在刀具后刀面易出现粘着磨损，从而造成加工表面的质量下降。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：
1、现有技术中为了达到电子产品良好的外观需求和光洁度效果，传统硬质合金刀具已不能满足光洁度及寿命要求；
2、现有技术中的金属陶瓷刀具在进行高硬度加工时易出现刀具的缺口崩损，同时在刀具后刀面易出现粘着磨损，从而造成加工表面的质量下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不锈钢加工用金属陶瓷材料及制备方法，以解决现有技术中为了达到电子产品良好的外观需求和光洁度效果，传统硬质合金刀具已不能满足光洁度及寿命要求的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种不锈钢加工用金属陶瓷材料，其制备包括下述重量百分比的原料：第一硬质相55.5-60％；第二硬质相20-30％；粘结相12-24％；金属间化合物0-2％；Ru0.5-5％；各原料的重量百分比之和为100％；
所述第一硬质相为TiCN；
所述第二硬质相为元素周期表中第四族、第五族和第六族金属元素的碳化物颗粒、氮化物颗粒和碳氮化物颗粒中的至少一种；
所述粘结相包括Co、Fe和Ni中的至少一种；
所述金属间化合物为纳米级的AlNi、Al3Ni、AlNi3、Al3Ni5中的至少一种。
进一步的，各原料的重量百分比分别为：第一硬质相57-59％；第二硬质相；23-26％；粘结相16-19％；Ru 1.5-4％；金属间化合物0.3-1％。
进一步的，各原料的重量百分比分别为：第一硬质相58％；第二硬质相24.7％；粘结相15％；Ru 2％；金属间化合物0.3％。
进一步的，所述金属间化合物的晶粒粒度＜150nm。
进一步的，所述第二硬质相为WC、Mo2C、TaC、ZrC、HfC、VC、Cr3C2中的至少一种。
进一步的，所述第二硬质相由WC、Mo2C和ZrC组成。
本发明提供的不锈钢加工用金属陶瓷材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)球磨：按配比将各原料加入球磨机中，同时加入成型剂和分散剂，进行球磨，得分散均匀物料；
(2)干燥：将步骤(1)处理后的分散均匀物料在N2保护条件下进行喷雾干燥；喷雾干燥时，出口温度为95-105℃，喷雾干燥后得干燥物料；
(3)压制：将步骤(2)所得干燥物料经模压压制成压坯，模压压力为1.2-1.8T/cm2；
(4)烧结：将步骤(3)所得压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结，在最高烧结温度1450-1550℃保温1.8-2.2h，随炉冷却后得不锈钢加工用金属陶瓷材料成品。
进一步的，所述步骤(1)中，球磨时间为52-60h。
进一步的，所述步骤(1)中，所述分散剂为乙醇，乙醇的加入量为原料总重量的20-60％。
进一步的，所述步骤(1)中，所述成型剂为石蜡，石蜡的加入量为原料总重量的2-4％。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
(1)本发明提供的不锈钢加工用金属陶瓷材料，通过对原料的选择和原料配比的选择，第二硬质相(WC、Mo2C、ZrC、HfC等过渡族碳化物)在相对较低温度即可与第一硬质相、粘结相发生固溶反应，从而对主要物相的结合强度进行改善，降低烧结温度，同时提高材料整体强度；将本发明中的金属陶瓷材料制备成刀具进行高硬度加工时不易出现刀具缺口崩损，并且刀具后刀面粘着磨损少，可以保证加工表面的质量；
(2)本发明提供的不锈钢加工用金属陶瓷材料，加入的Ru能显著提高粉末的表面活性，Ru在WC等的烧结体系中存在提高烧结活性，改善烧结润湿的效果；将其在TiCN基金属陶瓷中加入后，在烧结中其可以有效的促进固溶体的形成，从而改善整体材料强度性能；并且，通过Ru的使用，可以显著的改善合金烧结过程中晶粒间的烧结活化和物相之间的结合强度，从而提高材料整体的抗崩性能；
(3)本发明提供的不锈钢加工用金属陶瓷材料，根据金属材料纳米强化和固溶强化的机理，加入纳米相对粘结相性能进行改型，依靠纳米相的钉扎作用使得粘结相金属的抗黏着磨损能力得到大幅提升；加入的AlNi金属间化合物为相对较易获得的金属间化合物，根据制备工艺不同其成分比例不同，且因其结构及性能特点，易得到较稳定的纳米级物质；同时AlNi金属间化合物其成分及结构均较易存在于粘结相中，并不会产生较明显的缺陷夹杂效果；当粘结相中存在一定量的AlNi金属间化合物纳米相时，粘结相的强度、高温硬度、抗粘着磨损能力均能大幅提升，整体的耐磨性也得到了显著的改善。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
原料说明：
除纳米级金属间化合物外，其他原料粒径均为1.0-2.0um。
一、实施例：
实施例1：
1.1原料：
各原料的选择以及含量(重量百分比)如下表1所示：
表1实施例1原料表
Figure BDA0002857972090000041
1.2制备方法：
(1)球磨：按配比将各原料加入球磨机中，同时加入成型剂和分散剂，球磨52-60h，得分散均匀物料；
所述分散剂为乙醇，乙醇的加入量为原料总重量的40％；所述成型剂为石蜡，石蜡的加入量为原料总重量的3％；
(2)干燥：将步骤(1)处理后的分散均匀物料在N2保护条件下进行喷雾干燥；喷雾干燥时，出口温度为100℃，喷雾干燥后得干燥物料；
(3)压制：将步骤(2)所得干燥物料经模压压制成压坯，模压压力为1.5T/cm2；
(4)烧结：将步骤(3)所得压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结，在最高烧结温度1500℃保温2h，随炉冷却后得不锈钢加工用金属陶瓷材料成品。
实施例2：
2.1原料：
各原料的选择以及含量(重量百分比)如下表2所示：
表2实施例2原料表
Figure BDA0002857972090000051
2.2制备方法：
(1)球磨：按配比将各原料加入球磨机中，同时加入成型剂和分散剂，球磨52-60h，得分散均匀物料；
所述分散剂为乙醇，乙醇的加入量为原料总重量的20％；所述成型剂为石蜡，石蜡的加入量为原料总重量的2％；
(2)干燥：将步骤(1)处理后的分散均匀物料在N2保护条件下进行喷雾干燥；喷雾干燥时，出口温度为105℃，喷雾干燥后得干燥物料；
(3)压制：将步骤(2)所得干燥物料经模压压制成压坯，模压压力为1.8T/cm2；
(4)烧结：将步骤(3)所得压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结，在最高烧结温度1450℃保温2.2h，随炉冷却后得不锈钢加工用金属陶瓷材料成品。
实施例3：
3.1原料：
各原料的选择以及含量(重量百分比)如下表3所示：
表3实施例3原料表
Figure BDA0002857972090000061
3.2制备方法：
(1)球磨：按配比将各原料加入球磨机中，同时加入成型剂和分散剂，球磨52-60h，得分散均匀物料；
所述分散剂为乙醇，乙醇的加入量为原料总重量的60％；所述成型剂为石蜡，石蜡的加入量为原料总重量的4％；
(2)干燥：将步骤(1)处理后的分散均匀物料在N2保护条件下进行喷雾干燥；喷雾干燥时，出口温度为95℃，喷雾干燥后得干燥物料；
(3)压制：将步骤(2)所得干燥物料经模压压制成压坯，模压压力为1.2T/cm2；
(4)烧结：将步骤(3)所得压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结，在最高烧结温度1550℃保温1.8h，随炉冷却后得不锈钢加工用金属陶瓷材料成品。
实施例4：
4.1原料：
各原料的选择以及含量(重量百分比)如下表4所示：
表4实施例4原料表
Figure BDA0002857972090000071
4.2制备方法
同实施例1。
实施例5：
5.1原料：
各原料的选择以及含量(重量百分比)如下表5所示：
表5实施例5原料表
Figure BDA0002857972090000072
5.2制备方法
同实施例1。
二、对比例
对比例1：
1.1原料：
各原料的选择以及含量(重量百分比)如下表6所示：
表6对比例1原料表
Figure BDA0002857972090000081
1.2制备方法
同实施例1。
对比例2：
2.1原料：
各原料的选择以及含量(重量百分比)如下表7所示：
表7对比例2原料表
Figure BDA0002857972090000082
2.2制备方法
同实施例1。
对比例3：
3.1原料：
各原料的选择以及含量(重量百分比)如下表8所示：
表8对比例3原料表
Figure BDA0002857972090000091
3.2制备方法
同实施例1。
三、性能测试
将实施例1-5和对比例1-3中制备的成品分别按相同的工艺制备成标准刀具(8*75标准四刃平头)，进行316不锈钢的切削对比，切削时间超过20min为合格，实验方法如下表9所示：
表9切削实验方法
Figure BDA0002857972090000092
测试结果如下表10所示：
表10切削实验结果
切削时间 后刀面磨损
实施例1 22min 150um
实施例2 22min 130um
实施例3 21min 120um
实施例4 25min 170um
实施例5 22min 150um
对比例1 13min 崩刀
对比例2 17min 崩刀
对比例3 5min 崩刀
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不锈钢加工用金属陶瓷材料，其特征在于：其制备包括下述重量百分比的原料：第一硬质相 55.5-60%；第二硬质相20-30%；粘结相12-24%；金属间化合物0-2%；Ru 0.5-5%；各原料的重量百分比之和为100%；
所述第一硬质相为TiCN；
所述第二硬质相为元素周期表中第四族、第五族和第六族金属元素的碳化物颗粒、氮化物颗粒和碳氮化物颗粒中的至少一种；
所述粘结相包括Co、Fe和Ni中的至少一种；
所述金属间化合物为纳米级的AlNi、Al3Ni、AlNi3、Al3Ni5中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料，其特征在于：各原料的重量百分比分别为：第一硬质相 57-59%；第二硬质相23-26%；粘结相16-19%； Ru 1.5-4%；金属间化合物0.3-1%。
3.根据权利要求1所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料，其特征在于：各原料的重量百分比分别为：第一硬质相 58%；第二硬质相24.7%；粘结相15%；Ru 2%；金属间化合物0.3%。
4.根据权利要求1所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料，其特征在于：所述金属间化合物的晶粒粒度＜150nm。
5.根据权利要求1所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料，其特征在于：所述第二硬质相为WC、Mo2C、TaC、ZrC、HfC、VC、Cr3C2中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料，其特征在于：所述第二硬质相由WC、 Mo2C 和ZrC组成。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
（1）球磨：按配比将各原料加入球磨机中，同时加入成型剂和分散剂，进行球磨，得分散均匀物料；
（2）干燥：将步骤（1）处理后的分散均匀物料在N2保护条件下进行喷雾干燥；喷雾干燥时，出口温度为95-105℃，喷雾干燥后得干燥物料；
（3）压制：将步骤（2）所得干燥物料经模压压制成压坯，模压压力为1.2-1.8T/cm2；
（4）烧结：将步骤（3）所得压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结，在最高烧结温度1450-1550℃保温1.8-2.2h，随炉冷却后得不锈钢加工用金属陶瓷材料成品。
8.根据权利要求7所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，球磨时间为52-60h。
9.根据权利要求7所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述分散剂为乙醇，乙醇的加入量为原料总重量的20-60%。
10.根据权利要求7所述的不锈钢加工用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述成型剂为石蜡，石蜡的加入量为原料总重量的2-4%。
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