CN113046611B - 一种特殊结构的抗高温氧化的碳氮化钛基金属陶瓷材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特殊结构的抗高温氧化的碳氮化钛基金属陶瓷材料，它包括以下重量份的组分，粘结相10‑25份，所述粘结相中Ni+Cr含量不低于粘结相总量的60%，Ni与Cr质量比例为1:1‑3:1；剩余物质为硬质相；所述硬质相平均截线晶粒度在1.0‑2.0um；所述的金属陶瓷具备微观组织中黑色物相比例＜40%，灰色物相比例＞50%，白色芯相比例＜5%；通过对碳氮化钛基金属陶瓷中粘结相进行固溶改型强化，同时严格控制硬质相中固溶体结构及比例，有效的提高材料的高温性能，同时降低在高温环境下材料的氧化速度，从而实现材料在抗高温氧化方面性能提升。

Description

一种特殊结构的抗高温氧化的碳氮化钛基金属陶瓷材料

技术领域

本发明涉及金属陶瓷技术领域，特别是一种特殊结构的抗高温氧化的碳氮化钛基金属陶瓷材料。

背景技术

碳氮化钛基金属陶瓷是近几年在国内开始广泛应用的新兴切削工具类材料。其具备高耐磨性、高化学稳定性等特点，其在进行高速切削加工过程中能够更优秀的加工寿命和被加工表面。因此，本发明的主要目的在于，基于碳氮化钛基金属陶瓷高化学稳定性的特点，进行针对性的优化设计，着重于改善其高温性能，进一步细指高温抗氧化性能，从而使得其应用领域范围获得极大的拓宽。

以3D玻璃热弯模具为例，热弯机及热压成型模具需反复高温加热，工作过程热膨胀变形、热振裂纹、高温氧化等是损坏、失效的主要原因。目前所广泛使用的石墨材料，模具磨损速度极快，玻璃产品表面易产生气孔。而其他硬质合金等模具材料，因抗氧化性能较差，也无法顺利提到。

如型材制备(轧板、拉丝、拉管)等的高温加工领域，造成设备主要失效的原因也是频发升降温而引起的表面高温氧化、热振裂纹等，且高温氧化造成了硬质合金工件大量W、Co 等稀缺资源的流失和浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种特殊结构的抗高温氧化的碳氮化钛基金属陶瓷材料，通过固溶强化实现易氧化粘结相的改型，同时量化控制特殊的物相结构，从而实现材料在抗高温氧化方面性能提升。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种特殊结构的抗高温氧化的碳氮化钛基金属陶瓷材料，它包括以下重量份的组分，粘结相10-25份，所述粘结相中Ni+Cr含量不低于粘结相总量的60％，Ni与Cr质量比例为1:1-3:1；剩余物质为硬质相；所述硬质相平均截线晶粒度在1.0-2.0um；所述的金属陶瓷具备微观组织中黑色物相比例＜40％，灰色物相比例＞ 50％，白色芯相比例＜5％。

进一步的，金属陶瓷具有特殊的芯壳结构，其芯相和壳层比例会显著的影响材料本身的性能。壳层比例过高可能显著降低合金材料的高温性能；TiCN基金属陶瓷中的第一硬质相TiCN，其具备良好的高温红硬性，同时因为Ti元素良好的化学稳定性，能够满足抗高温氧化的需要，但与粘结相润湿性较差，含量占比较高时，无法满足基础性能及致密度要求。经验证控制黑色物相比例＜40％，灰色物相比例＞50％，白色芯相比例＜5％时，合金的高温性能及韧性等方面可达到较理想的效果。

更进一步的，金陶合金晶粒度(壳层相+芯相)较粗时，合金高温硬度、耐磨性等大幅下降，较细时合金抗高温氧化性能降低，经试验验证，将平均截线晶粒度在1.0-2.0um可获得综合性能较优异的材料结构。

所述硬质相包括第一硬质相和第二硬质相。

所述粘结相为铁族元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni中的至少2种。

进一步的，将Ni、Cr、Co控制在合适的比例范围内，综合获得良好的高温改性效果，同时兼顾材料本身的基础性能，能在300-800℃的工作条件下保持物化性质的稳定性，将所述粘结相中Ni+Cr含量控制在不低于粘结相总量的60％，控制Ni与Cr质量比例为1:1-3:1。

所述第一硬质相为TiCN颗粒、TiC、TiN、TiCN与其他元素沟通的固溶体中的至少一种。

所述第二硬质相为TaC颗粒、NbC颗粒、Ta、Nb固溶体和选自元素周期表中第四族、第五族、第六族金属元素的碳化物颗粒、氮化物颗粒及碳氮化物颗粒中的至少一种。

本发明具有以下优点：通过对碳氮化钛基金属陶瓷中粘结相进行固溶改型强化，同时严格控制硬质相中固溶体结构及比例，有效的提高材料的高温性能，同时降低在高温环境下材料的氧化速度，从而实现材料在抗高温氧化方面性能提升。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种特殊结构的抗高温氧化的碳氮化钛基金属陶瓷材料，通过固溶强化实现易氧化粘结相的改型，同时量化控制特殊的物相结构，从而实现材料在抗高温氧化方面性能提升。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细地说明

实施例：

S1：按下表1原料的组分及重量百分配比配料：

表1：

S2：RTP制备：使用乙醇作为分散剂，成型机为石蜡，添加量为4％，球磨时间56h。卸出后在出口温度100℃，N2保护条件下喷雾干燥。获得可供压制的RTP物料。

S3：压制：将以上5批混合料粉在模具中经模压压制成压坯，模压压力约为1.5T/cm2。

S4：烧结：将压坯置于Ar气保护气氛下进行烧结，在最高烧结温度1500℃下保温2h，随炉冷却获得可供测试的材料。

S5：金相观察结果如表2：

表2：

编号	黑色相比例	灰色相比例	截线晶粒度
				1	35	63	1.5
2	37	60	1.5
				3	55(A06B02C00)	43	1.5
4	33	65	3
				5	36	62	0.8

S6：测试，测试结果如表3：

表3：

试验编号	硬度(HV30)	高温硬度(800℃HV10)	氧化增重(800℃100h)
				1	1450	850	0.013
2	1450	900	0.011
				3	1680	1050	0.022
4	1380	650	0.015
				5	1550	850	0.031

试验说明：

符合本发明要求的#1、2样品，其高温硬度及氧化增重均符合要求。

3#样品，黑色含量超出范围，高温性能尚可，但组织结构不合格；

4#样品，截线晶粒度偏粗，整体硬度、高温硬度大幅降低；

5#样品，截线晶粒度偏细，高温硬度尚可，氧化增重变大。

Claims (1)

1.一种特殊结构的抗高温氧化的碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：包括以下重量份的组分，粘结相10-25份，所述粘结相中Ni+Cr含量不低于粘结相总量的60%，Ni与Cr质量比例为1:1-3:1；剩余物质为硬质相；所述硬质相平均截线晶粒度在1.0-2.0um；所述的金属陶瓷具备微观组织中黑色物相比例＜40%，灰色物相比例＞50%，白色芯相比例＜5%；

所述硬质相包括第一硬质相和第二硬质相；

所述粘结相为铁族元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni中的至少2种；

所述第一硬质相为TiCN颗粒、TiC、TiN、TiCN与其他元素沟通的固溶体中的至少一种；

所述第二硬质相为TaC颗粒、NbC颗粒、Ta、Nb固溶体和选自元素周期表中第四族、第五族、第六族金属元素的碳化物颗粒、氮化物颗粒及碳氮化物颗粒中的至少一种。