CN1133603C - 复合金属陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合金属陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料及其制备方法。采取优化材料成分、改进烧结工艺、细化晶粒的手段进一步提高其强韧性，该金属陶瓷成份为：25≤Ti≤30，6≤C≤8.5，25≤Ni≤40，12≤Mo≤20，2≤N≤3，5≤W≤10，0.4≤Cr≤1.0。其制备工艺为：将单质元素Ti、C、Ni、Mo粉末混合，在氩气保护下，通过机械合金化制备包括纳米级TiCx和NiMo固溶体的混合物，再与TiN、WC、Cr3C2、C粉末一起配制成符合上述成份的混合料，加入成型剂、压制成型，在真空度高于5Pa的条件脱脂，在真空度高于1.0×10-1Pa的条件下烧结，在压力为100-150MPa，处理温度1350-1400℃的条件下进行热等静压处理。所述材料具有高硬度，高抗弯强度，HRA≥90.0，σb≥2500MPa。可用于刀具、拉丝模、压制模等。
Description
技术领域
本发明为陶瓷材料及其制造方法，特别涉及复合Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法。
背景技术
Ti(C，N)基金属陶瓷不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数，而且还有一定的韧性和强度。如用作刀具，与通常的硬质合金相比，它在以下几个方面有明显的优势：可以允许有较高的切削速度和较大的进刀量，被加工件有较好的表面性能，刀具的耐磨性能更高。目前日本市场的主要牌号见表1，见中国建筑材料科学研究院张国军‘Ti(C，N)基金属材料’一文，机械工程材料，1990年第3期。我国八·五期间也投入大量的人力物力并已研制出一些牌号的Ti(C，N)基金属陶刀具，现正在市场上试用，但反应出的问题是性能不稳定，强韧性偏低，在较高的转速条件下，震动很大，因而这些牌号的金属陶瓷刀具至今基本上没有得到实际运用。表2为中国市场上正在试用的几种金属陶瓷的牌号和性能。因此，只有在保持其优越性的前提下，进一步提高材料的强韧性，才有可能使其在国内刀具市场上得到运用，并将其应用领域扩展到模具市场。
表1 日本市场上常用的金属陶瓷的牌号和性能
| 牌号 | N302 | N308 | N310 | N350 |
| 主要性能 | 高耐磨性 | 高韧性 | 更高韧性 | 更高韧性 |
| 组成 | TiCN-WC-TaC | TiCN-WC-TaC | TiCN-WC-TaC | (Ti，W，Ta)CN |
| 硬度HRA | 93.0～94.0 | 91.0～92.0 | 91.0～92.0 | 92.5～92.5 |
| 抗弯强度/MPa | 1200～1400 | 1600～1800 | 1700～1900 | 1700～1900 |
| 比重 | 6.4 | 7.0 | 7.0 | 7.0 |
表2 中国市场上正在试用的几种金属陶瓷的牌号和性能
| 牌号 | YN05 | TN10 | TN20 | TN30 |
| 主要性能 | 高耐磨性 | 与TN05性能类似，韧性提高 | 韧性，耐磨性等较好 | 韧性，耐磨性等较好 |
| 组成 | TiC-Ni-Mo | Ti(CN)-Ni-Mo | Ti(CN)-Ni-Mo | Ti(CN)-Ni-Mo |
| 硬度 | ≥93 | ≥92.5 | ≥91.5 | ≥90.5 |
| 抗弯强度 | 950 | 1200 | ≥1400 | ≥1550 |
| 比重 | ≥6.2 | ≥6.5 | ≥6.8 | ≥6.8 |
发明内容
本发明的一种复合金属陶瓷及其制备方法，采取优化材料成分、改进烧结工艺、细化晶粒的手段进一步提高该金属陶瓷的强韧性，提供一种显微组织中含有10％以上的纳米晶粒，HRA≥90.0，σb≥2500MPa的Ti(C，N)基金属陶瓷，使此类材料在保持原有优越性的基础上，其强韧性得到改善。实现这一目的的Ti(C，N)基金属陶瓷，在组成成份中加入少量的Cr3C2。本发明的另一目的是提供制备上述复合金属陶瓷的方法，其特点是先进行机械合金化，制备包括纳米级TiCx和NiMo固溶体的混合物，再配制符合成份要求的混合料，依次经混料、成型、脱脂、真空烧结、热等静压处理。
本发明的一种复合金属陶瓷，其成份重量百分比为：
25≤Ti≤30，6≤C≤8.5，25≤Ni≤40，12≤Mo≤20，2≤N≤3，5≤W≤10，0.4≤Cr≤1.0。
本发明如前所述的复合金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤；
(1)将单质元素Ti、C、Ni、Mo粉末混合，其成分重量配比为：25≤Ti≤28，6.5≤C≤7，25≤Ni≤40，12≤Mo≤20，用机械合金化制备包括纳米级的TiCx和NiMo固溶体的混合物，再将其与TiN、WC、Cr3C2、C粉一起配制成符合最终重量比例的混合料，
(2)加入成型剂，压制成型，脱脂，
(3)然后经真空烧结和热等静压处理而成。
所述的复合金属陶瓷的制备方法，其进一步的特征为：
(1)机械合金化在氩气保护下进行，
(2)所加入成型剂为聚乙烯醇，
(3)脱脂工序在真空炉中进行，
(4)热等静压处理在氩气保护下进行。
所述的复合金属陶瓷的制备方法，其工艺参数可以为：
(1)机械合金化过程所用氩气纯度≥99.99％、压力0.2-0.8MPa，转速为350-400rpm，时间为96-132h，
(2)成型剂加入比例为混合料的4wt％-8wt％，压制成型所用压力为250-400MPa，
(3)脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，在400-600℃之间保温6-10h。
(4)真空烧结的真空度高于1.0×10-1Pa，烧结温度为1410-1480℃，保温时间为40-80min，
(5)热等静压炉中所用的氩气压力为100-150MPa，处理温度1350-1400℃，时间为30-50min。
本发明的纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷，其HRA≥90.0，σb≥2500MPa，不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数等优点外，其强韧性也较优良，作为刀具不但可以在震动不大的先进机床上运用，还可以用于国内普通的机床，与相同硬度的硬质合金相比，其可以允许进刀量提高2-4倍，切削速度提高2倍以上。由于强韧性比较优越，其还可用来作拉丝模、压制模等模具。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明的技术效果。
表3是4种成分配方的混合料，分别采用不同的工艺参数将其制备成金属陶瓷，并分别测定其主要性能硬度和抗弯强度。
表3 4种混合料的成分配比
成分 Ti C Ni Mo N W Cr
1# 30 8.5 27.5 20 3 10 1
2# 27 7.3 35 17 3 10 0.7
3# 27 6.2 40 13 2.4 10 0.4
4# 25 7.6 40 20 2 5 0.4
实施例1：
机械合金化过程所用压力0.2MPa，转速为350rpm，时间为96h，
成型剂聚乙烯醇的加入量为4wt％，
压制成型所用压力为400MPa，
脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，保温温度为600℃，保温时间为10h。
真空烧结的真空度高于1.0×10-1Pa，烧结温度为1410℃，保温时间为40min，
热等静压炉中所用氩气压力为100MPa，处理温度1400℃，保温时间为30min。
在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表4。
表4 采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能
成分 1# 2# 3# 4#
抗弯强度σb(MPa) 2512 2633 2884 2578
硬度(HRA) 91.5 90.8 90.7 90.2
实施例2：
机械合金化过程所用压力0.5MPa，转速为350rpm，时间为120h，
成型剂聚乙烯醇的加入量为6wt％，
压制成型所用压力为300MPa，
脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，保温温度为500℃，保温时间为6h。
真空烧结的真空度高于1.0×10-1Pa，烧结温度为1440℃，保温时间为60min，
热等静压炉中所用氩气压力为100MPa，处理温度1370℃，保温时间为40min。
在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表5。
表5 采用工艺2制备出的不同金属陶瓷的性能
成分 1# 2# 3# 4#
抗弯强度σb(MPa) 2583 2534 2735 2628
硬度(HRA) 90.8 90.2 90.3 90.0
实施例3：
机械合金化过程所用压力0.8MPa，转速为400rpm，时间为132h，
成型剂聚乙烯醇的加入量为8wt％，
压制成型所用压力为250MPa，
脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，保温温度为400℃，保温时间为6h。
真空烧结的真空度高于1.0×10-1Pa，烧结温度为1480℃，保温时间为80min，
热等静压炉中所用氩气压力为150MPa，处理温度1350℃，保温时间为50min。
在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表6。
表6 采用工艺3制备出的不同金属陶瓷的性能
成分 1# 2# 3# 4#
抗弯强度σb(MPa) 2504 2572 2601 2609
硬度(HRA) 91.7 90.8 90.5 90.2
Claims (4)
1、一种复合金属陶瓷，其成份重量百分比为：
25≤Ti≤30，6≤C≤8.5，27.5≤Ni≤40，12≤Mo≤20，2≤N≤3，5≤W≤10，0.4≤Cr≤1.0；
最终生成相为碳氮化钛Ti(C，N)、WC、粘结相Ni固溶体其中Mo固溶于Ni中、以及添加剂Cr3C2，生成相中各元素含量如前述。
2、一种如权利要求1所述的复合金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤；
(1)将单质元素Ti、C、Ni、Mo粉末混合，其成分重量配比为：
25≤Ti≤28，6.5≤C≤7，27.5≤Ni≤40，12≤Mo≤20，用机械合金化制备包括纳米级的TiCx和NiMo固溶体的混合物，再将其与TiN、WC、Cr3C2、C粉一起配制成符合最终重量比例的混合料，
(2)加入成型剂，压制成型，脱脂，
(3)然后经真空烧结和热等静压处理而成。
3、如权利要求2所述的复合金属陶瓷的制备方法，其特征为：
(1)机械合金化在氩气保护下进行，
(2)所加入成型剂为聚乙烯醇，
(3)脱脂工序在真空炉中进行，
(4)热等静压处理在氩气保护下进行。
4、如权利要求3所述的复合金属陶瓷的制备方法，其特征为：
(1)机械合金化过程所用氩气纯度≥99.99％、压力0.2-0.8MPa，转速为350-400rpm，时间为96-132h，
(2)成型剂加入比例为混合料的4wt％-8wt％，压制成型所用压力为250-400MPa，
(3)脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行，在400-600℃之间保温6-10h。
(4)真空烧结的真空度高于1.0×10-1Pa，烧结温度为1410-1480℃，保温时间为40-80min，
(5)热等静压炉中所用氩气压力为100-150MPa，处理温度1350-1400℃，时间为30-50min。
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