CN115418542B - 一种纳米改性金属陶瓷刀具材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属陶瓷材料领域，为解决现有技术下金属陶瓷刀具材料制备成本较高，韧性较低的问题，公开了一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，包括如下组分：30～40份Ti(C0.5,N0.5)粉、12～18份TiC纳米颗粒、5～12份WC纳米颗粒、9～15份Ni粉、5～8份Mo粉、3～7份FeAl粉、0.5~1份MoB纳米颗粒和0.3~0.5份C粉。该材料质地均匀、致密，硬度高，韧性好，在高温下有较好的力学性能，可提高高速切削的加工质量。制备方法简单，设备要求低，制备效率高。

Description

一种纳米改性金属陶瓷刀具材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属陶瓷材料领域，尤其涉及一种纳米改性金属陶瓷刀具材料及其制备方法。
背景技术
金属陶瓷材料是陶瓷和金属复合而成的材料，兼具陶瓷和金属的优点。Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨、耐高温、耐氧化和耐蚀性好，可替代WC-Co合金用于制造刀具，对于减少战略资源W消耗有重要意义。随行业发展、加工难度及精度要求的提升，对金属陶瓷刀具材料的硬度、稳定性、使用寿命提出了更高的要求。陶瓷与金属的物理化学性质的相差较大，二者的相容性较差，这导致金属陶瓷材料较脆限制了金属陶瓷材料的应用。目前常用添加粘结相来改善金属对陶瓷的润湿性，从而提高金属陶瓷材料的烧结性能和力学性能。
例如，在中国专利文献上公开的“一种纳米改性Ti基金属陶瓷刀具材料及其制备方法”，其公告号为CN113174523A，制备纳米改性Ti基金属陶瓷刀具材料的原料按其重量份包括：8～14份Co/WC纳米复合粉体、25～40份TiC、8～13份TiN、18～28份Ni、11～15份Mo、6～12份Co、0.8～1.5份C、0.5～3.5份Ti(C,N)和0.12～0.25份CeO2。该材料中使用稀土材料提高粘结相对陶瓷材料的润湿性，提高了金属陶瓷刀具材料的成本，同时其韧性还有提升空间。
发明内容
本发明为了克服现有技术下金属陶瓷刀具材料制备成本较高，韧性较低的问题，提供一种纳米改性金属陶瓷刀具材料及其制备方法，该材料质地均匀、致密，硬度高，韧性好，在高温下有较好的力学性能，可提高高速切削的加工质量。制备方法简单，设备要求低，制备效率高。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，包括如下组分：30～40份Ti(C0.5,N0.5)粉、12～18份TiC纳米颗粒、5～12份WC纳米颗粒、9～15份Ni粉、5～8份Mo粉、3～7份FeAl粉、0.5～1份MoB纳米颗粒和0.3～0.5份C粉。
本发明选用TiC纳米颗粒、WC纳米颗粒对硬质相进行改性，减小烧结后硬质相晶粒度，进而提升材料的致密度；粘结相中使用Ni、Mo、FeAl、MoB和C粉。Ni有助于提高金属陶瓷的塑性。Mo可包覆硬质相，细化硬质相粒度；且Fe和Al储量丰富，易得，FeAl与TiC之间湿润性较好，易于填充TiC之间的空隙而不产生微孔，进而提高致密性，并且可提高材料的耐腐蚀性和抗氧化能力；MoB可以细化晶粒，提高材料的硬度和耐磨性；C可还原金属氧化物，减少材料中的O元素含量，掺入一定量的碳还可以提高材料的矫顽磁力。
作为优选，所述TiC纳米颗粒的粒径为50～120nm。
作为优选，所述WC纳米颗粒的粒径为100～200nm。
作为优选，所述MoB纳米颗粒的粒径为50～100nm。
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料的制备方法，包括如下步骤：
(A)将各组分混合后在无水乙醇中湿磨得到混合料；
(B)将混合料干燥、模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结。
作为优选，所述湿磨过程中，球料比为(5～7)∶1，球磨转速为100～250r/min，湿磨时间为48～72h。
作为优选，所述干燥过程为真空干燥。
作为优选，所述真空烧结过程为：以10～20℃/min的升温速率升至500～700℃，保温30～60min，以10～20℃/min的升温速率升至1000～1200℃，然后以5～10℃/min的升温速率升至1300～1450℃，保温60～90min，随炉冷却至室温。
先升温至500～700℃将坯料中的成型剂除去，然后采用阶梯升温的方式烧结提高材料的致密性。
作为优选，所述真空烧结中，真空度大于0.05MPa。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)材料质地均匀、致密，强度、硬度、韧性、耐磨性和耐热性好，用该材料制备的刀具与加工材料之间摩擦力小，可提高高速切削的加工质量；(2)本发明选用TiC纳米颗粒和WC纳米颗粒对硬质相进行改性，效果好，成本低；(3)粘结相中使用FeAl替代Co，再添加MoB纳米颗粒和C进一步增加材料的致密性和耐腐蚀能力；(4)制备方法简单，设备要求低，制备效率高。
具体实施方式
下面结合具体实施方法对本发明做进一步的描述。
实施例1
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，其组分为：38份Ti(C0.5,N0.5)粉、18份粒径为80nm的TiC纳米颗粒、8份粒径为100nm的WC纳米颗粒、10份Ni粉、8份Mo粉、5份FeAl粉、1份粒径为50nm的MoB纳米颗粒和0.3份C粉，
由如下步骤制备得到：
(A)将上述组分混合后在无水乙醇中湿磨48h得到混合料，球料比为7∶1，球磨转速为250r/min；
(B)将混合料在真空度50Pa下50℃干燥4h，再与质量为混合料1％的聚乙二醇混合并转移至模具以100MPa压力模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结，真空度为50Pa，以20℃/min的升温速率升至500℃，保温60min，以20℃/min的升温速率升至1200℃，然后以10℃/min的升温速率升至1450℃，保温90min，随炉冷却至室温。
实施例2
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，其组分为：40份Ti(C0.5,N0.5)粉、18份粒径为80nm的TiC纳米颗粒、8份粒径为100nm的WC纳米颗粒、9份Ni粉、5份Mo粉、6份FeAl粉、0.5份粒径为50nm的MoB纳米颗粒和0.3份C粉，
由如下步骤制备得到：
(A)将上述组分混合后在无水乙醇中湿磨48h得到混合料，球料比为7∶1，球磨转速为250r/min；
(B)将混合料在真空度50Pa下50℃干燥4h，再与质量为混合料1％的聚乙二醇混合并转移至模具以100MPa压力模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结，真空度为50Pa，以20℃/min的升温速率升至500℃，保温60min，以20℃/min的升温速率升至1000℃，然后以10℃/min的升温速率升至1400℃，保温90min，随炉冷却至室温。
实施例3
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，其组分为：40份Ti(C0.5,N0.5)粉、12份粒径为120nm的TiC纳米颗粒、12份粒径为200nm的WC纳米颗粒、10份Ni粉、8份Mo粉、6份FeAl粉、1份粒径为100nm的MoB纳米颗粒和0.3份C粉，
由如下步骤制备得到：
(A)将上述组分混合后在无水乙醇中湿磨48h得到混合料，球料比为7∶1，球磨转速为250r/min；
(B)将混合料在真空度50Pa下50℃干燥4h，再与质量为混合料1％的聚乙二醇混合并转移至模具以100MPa压力模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结，真空度为50Pa，以20℃/min的升温速率升至500℃，保温60min，以20℃/min的升温速率升至1200℃，然后以10℃/min的升温速率升至1350℃，保温90min，随炉冷却至室温。
对比例1
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，其组分为：38份Ti(C0.5,N0.5)粉、18份粒径为500nm的TiC纳米颗粒、8份粒径为500nm的WC纳米颗粒、10份Ni粉、8份Mo粉、5份FeAl粉、1份粒径为200nm的MoB纳米颗粒和0.3份C粉，
由如下步骤制备得到：
(A)将上述组分混合后在无水乙醇中湿磨48h得到混合料，球料比为7∶1，球磨转速为250r/min；
(B)将混合料在真空度50Pa下50℃干燥4h，再与质量为混合料1％的聚乙二醇混合并转移至模具以100MPa压力模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结，真空度为50Pa，以20℃/min的升温速率升至500℃，保温60min，以20℃/min的升温速率升至1200℃，然后以10℃/min的升温速率升至1450℃，保温90min，随炉冷却至室温。
对比例2
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，其组分为：38份Ti(C0.5,N0.5)粉、18份粒径为80nm的TiC纳米颗粒、8份粒径为100nm的WC纳米颗粒、10份Ni粉、8份Mo粉、5份FeAl粉和0.3份C粉由如下步骤制备得到：
(A)将上述组分混合后在无水乙醇中湿磨48h得到混合料，球料比为7∶1，球磨转速为250r/min；
(B)将混合料在真空度50Pa下50℃干燥4h，再与质量为混合料1％的聚乙二醇混合并转移至模具以100MPa压力模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结，真空度为50Pa，以20℃/min的升温速率升至500℃，保温60min，以20℃/min的升温速率升至1200℃，然后以10℃/min的升温速率升至1450℃，保温90min，随炉冷却至室温。
对比例3
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，其组分为：38份Ti(C0.5,N0.5)粉、18份粒径为80nm的TiC纳米颗粒、8份粒径为100nm的WC纳米颗粒、10份Ni粉、8份Mo粉、5份FeAl粉和1份粒径为50nm的MoB纳米颗粒，
由如下步骤制备得到：
(A)将上述组分混合后在无水乙醇中湿磨48h得到混合料，球料比为7∶1，球磨转速为250r/min；
(B)将混合料在真空度50Pa下50℃干燥4h，再与质量为混合料1％的聚乙二醇混合并转移至模具以100MPa压力模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结，真空度为50Pa，以20℃/min的升温速率升至500℃，保温60min，以20℃/min的升温速率升至1200℃，然后以10℃/min的升温速率升至1450℃，保温90min，随炉冷却至室温。
对比例4
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，其组分为：38份Ti(C0.5,N0.5)粉、18份粒径为80nm的TiC纳米颗粒、8份粒径为100nm的WC纳米颗粒、10份Ni粉、8份Mo粉、5份FeAl粉、1份粒径为50nm的MoB纳米颗粒和2份C粉，
由如下步骤制备得到：
(A)将上述组分混合后在无水乙醇中湿磨48h得到混合料，球料比为7∶1，球磨转速为250r/min；
(B)将混合料在真空度50Pa下50℃干燥4h，再与质量为混合料1％的聚乙二醇混合并转移至模具以100MPa压力模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结，真空度为50Pa，以20℃/min的升温速率升至500℃，保温60min，以20℃/min的升温速率升至1200℃，然后以10℃/min的升温速率升至1450℃，保温90min，随炉冷却至室温。
对比例5
一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，以重量份计，其组分为：38份Ti(C0.5,N0.5)粉、18份粒径为80nm的TiC纳米颗粒、8份粒径为100nm的WC纳米颗粒、10份Ni粉、8份Mo粉、5份FeAl粉、1份粒径为50nm的MoB纳米颗粒和0.3份C粉，
由如下步骤制备得到：
(A)将上述组分混合后在无水乙醇中湿磨48h得到混合料，球料比为7∶1，球磨转速为250r/min；
(B)将混合料在真空度50Pa下50℃干燥4h，再与质量为混合料1％的聚乙二醇混合并转移至模具以100MPa压力模压成型得到坯料；
(C)将坯料进行真空烧结，真空度为50Pa，以20℃/min的升温速率升至500℃，保温60min，以20℃/min的升温速率升至1450℃，保温90min，随炉冷却至室温。
参照JB T 12613-2016标准检测实施例和对比例所得材料的抗弯强度、密度和硬度，并且使用矫顽力测试仪检测材料的矫顽磁力，检测结果如下表所示。
项目 抗弯强度/MPa 密度/g·cm-3 硬度/HRA 矫顽磁力/kA·m-1
实施例1 1626 6.75 91.7 5.9
实施例2 1591 6.72 91.6 5.6
实施例3 1694 6.83 92.3 6.2
对比例1 1440 6.49 90.0 3.8
对比例2 1518 6.65 90.3 5.3
对比例3 1473 6.73 89.5 5.6
对比例4 1357 6.68 86.8 6.1
对比例5 1472 6.43 89.7 4.8
实施例1～3的抗弯强度、密度、硬度和矫顽磁力较大，这表明本发明所述的陶瓷材料质地致密，力学强度高。
由对比例1可知，当TiC和WC的粒径较大时，烧结得到的材料韧性和硬度均会下降。对比例2中没有添加MoB颗粒，其韧性和硬度低于实施例1，这表明添加MoB可提高材料的力学性能。对比例3和对比例4分别调整C粉的添加量，由其检测数据可知，当没有C粉参与烧结时，材料较脆，当C粉含量过量导致材料中C含量较多也会对材料的力学性能产生负面影响。对比例5烧结过程中升温速度较快，材料中气孔含量较多，致密性下降。

Claims (6)

1.一种纳米改性金属陶瓷刀具材料，其特征是，以重量份计，包括如下组分：30～40份Ti(C0.5,N0.5) 粉、12～18份TiC纳米颗粒、5～12份WC纳米颗粒、9～15份Ni粉、5～8份Mo粉、3～7份FeAl粉、0.5~1份MoB纳米颗粒和0.3~0.5份C粉；
所述TiC纳米颗粒的粒径为50~120nm；
所述WC纳米颗粒的粒径为100~200nm；
所述MoB纳米颗粒的粒径为50~100 nm。
2.一种如权利要求1所述纳米改性金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
（A）将各组分混合后在无水乙醇中湿磨得到混合料；
（B）将混合料干燥、模压成型得到坯料；
（C）将坯料进行真空烧结。
3.根据权利要求2所述的一种纳米改性金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是，所述湿磨过程中，球料比为（5~7）∶1，球磨转速为100~250r/min，湿磨时间为48~72 h。
4.根据权利要求2所述的一种纳米改性金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是，所述干燥过程为真空干燥。
5.根据权利要求2所述的一种纳米改性金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是，所述真空烧结过程为：以10～20oC /min的升温速率升至500~700oC，保温30~60min，以10～20oC/min的升温速率升至1000~1200oC，然后以5～10oC /min的升温速率升至1300~1450oC，保温60~90min，随炉冷却至室温。
6.根据权利要求2或5所述的一种纳米改性金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是，所述真空烧结中，真空度大于0.05MPa。
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