CN1180109C

CN1180109C - 一种金属陶瓷切削刀具材料及其制备方法

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Publication number: CN1180109C
Application number: CNB021397902A
Authority: CN
Inventors: 徐智谋; 易新建; 郑家燊; 唐宏翚; 李祥辉; 江丙武; 彭德麟
Original assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Group Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Group Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: CN1410574A

Abstract

本发明公开了一种Ti(C，N)基金属陶瓷切削刀具材料及制备方法。该金属陶瓷切削刀具材料各组成成分重量百分比为：Ti30～55，W≥13且＜20，Ta0～5，Zr0～0.1，Nb0～10，Cr0～1.0，V0～5.0，Al0～1.0，Mo9～16，Ni＞6.5且≤15，Co5.5～15，其余成分为C和N。该金属陶瓷切削刀具材料是由一种多元复式碳氮化物陶瓷粉末与两种以上Ti、W碳化物粉末，及Ta、Nb、Zr、V、Cr、Al、Mo等的碳化物粉末和/或它们之间与Ti、W的固溶体碳化物粉末以及金属Co、Ni和/或Mo等的粉末，经球磨粉碎、压制、真空脱蜡和真空烧结制备而成。该金属陶瓷在保持良好的耐磨性的基础上，具有较高的强度和韧性，可用于切削刀具材料。

Description

一种金属陶瓷切削刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料及其制备方法，特别是Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

Ti(C，N)基金属陶瓷是诞生于二十世纪七十年代的一种新型金属陶瓷材料，它具有密度低，化学稳定性和抗氧化性好，对钢的磨擦系数小，并且硬度和红硬性高于硬质合金等优点。Ti(C，N)基金属陶瓷用作刀具材料，适合于铸铁、普通钢、高硬度钢的高速切削和干式切削，尤其是精加工、半精加工方面使用性能优于硬质合金和涂层硬质合金刀具，因而各国的企业和研究机构近年来在Ti(C，N)基金属陶瓷的研究方面作了许多工作，并有产品投入市场。以日本市场为例，数控刀片中Ti(C，N)基金属陶瓷刀具占了约25～30％的市场，其主要牌号的性能：硬度(HRA)91.0～94.0，抗弯强度1200～2000Mpa。中国专利88107079.3(公开日为1989年5月10日)提供了一种金属陶瓷切削刀具，其成份为：3.5≤Ni≤6.5，4.5≤Co≤7.5，20≤W≤25，5≤Mo≤11，0≤Ta+Nb≤6，Cr≤0.05，Al≤1.0，V≤3，其中8≤Co+Ni≤11，其余成分为Ti、C和N。该金属陶瓷材料的主要原料碳氮化物粉末为Ti(C，N)粉末，目的是在保持刀具较好耐磨性和使用寿命的基础上，提高刀具的韧性。中国专利01133646.3(公开日为2002年5月1日)中提供了一种复合金属陶瓷及其制备方法，该发明中金属陶瓷成分重量百分比为：25≤Ti≤30，6≤C≤8.5，25≤Ni≤40，12≤Mo≤20，2≤N≤3，5≤W≤10，0.4≤Cr≤1.0。其制备工艺为：将单质元素Ti、C、Ni、Mo的粉末混合，在Ar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物，加入成型剂，压制成型，在真空度高于5Pa的条件下脱蜡，在真空度高于1.0×1.0^-Pa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。该发明的目的是提供一种具有较高强度(σЬ＝2500～2630MPa)的复合金属陶瓷及其制备方法，但其耐磨性较低(HRA＝91.7～90.0)。尽管近年来Ti(C，N)基金属陶瓷切削刀具材料在国内外得到较大的发展，但上述投放市场产品及专利技术存在的主要问题是仍然是强韧性不足，产品性能不稳定。

发明内容

本发明针对现在技术的不足，提供一种新型的Ti(C，N)基金属陶瓷切削刀具材料，在保持其高硬度高耐磨性的前提下，较大幅度地提高其强度和韧性。同时本发明还提供该新型Ti(C，N)基金属陶瓷切削刀具材料的制备方法。

本发明的金属陶瓷切削刀具材料，其各组成成分重量百分比为：Ti30～55，W≥13且＜20，Ta0～5，Zr0～0.1，Nb0～10，V0～5.0，Al0～1.0，Mo9～16，Ni＞6.5且≤15，Co5.5～15，其余成分为C和N，且按在组成中的重量百分比计时，Ta+Nb＝0～10，Ni+Co＝12～25，Ni/(Ni+Co)＝0.2～0.8。

制备本发明的金属陶瓷切削刀具材料的方法依次包括以下步聚：(1)将最终能满足上述金属陶瓷切削刀具材料各组成成分重量百分比的一种多元复式碳氮化物陶瓷粉末与两种以上碳化物陶瓷粉末和金属粉末混合进行湿磨，湿磨后经沉淀干燥，制得混合料；多元复式碳氮化物陶瓷粉末为Ti(C，N)粉末，也可以为Ti、W、Ta、Nb、Mo的碳氮化物固溶体陶瓷粉末(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)、(Ti，W)(C，N)、(Ti，W，a)(C，N)、(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)，碳化物陶瓷粉末为Ti、W的碳化物粉末，Ta、Nb、Zr、V、Cr、Al、Mo的碳化物粉末和/或它们与Ti、W的固溶体碳化物粉末，所述的金属粉末为Ni、Co和/或Mo的粉末；(2)按混合料重量的8-15％加入成型剂，混合后进行干燥制粒，经压制成型；成型剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段聚合物或聚乙二醇；(3)将压制成型料在真空炉中进行脱蜡和烧结，脱蜡真空度高于5Pa，升温至400～650℃之间保温90～150min；烧结的真空度高于0.1Pa，升温至1450～1500℃保温30～100min，然后在真空环境下冷却。

制备本发明金属陶瓷切削刀具材料采用的所有多元复式碳氮化物陶瓷粉末粉末原料中，按在组分中的重量比计时，中N/(N+C)＝0.4～0.7。而按各金属元素重量比计，(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)粉末中，0.3≤Ti≤0.7，0.1≤W≤0.3，0.1≤Ta≤0.3，0.05≤Nb≤0.3，0.05≤Mo≤0.3；(Ti，W)(C，N)粉末中，0.3≤Ti≤0.9，0.1≤W≤0.7；(Ti，W，Ta)(C，N)粉末中，0.3≤Ti≤0.8，0.1≤W≤0.3，0.1≤Ta≤0.4；(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末中，0.3≤Ti≤0.7.0.1≤W≤0.3，0.1≤Ta≤0.3，0.05≤Nb≤0.3。

制备本发明金属陶瓷切削刀具材料时，Ta元素以TaC或(Ti，Ta)C或(Ti，W，Ta)C或(Ta，Nb)C的形式加入；Nb元素以NbC或(Ti，Nb)C或(Ti，W，Nb)C或(Ta，Nb)C的形式加入；V元素以VC或(Ti，V)C或(Ti，W，V)C的形式加入；Zr，Cr和Al元素分别以ZrC、Cr2C3和TiAlC2的形式加入。

制备本发明金属陶瓷切削刀具材料采用的原料碳氮化物、碳化物陶瓷粉末和金属粉末粒度一般为Fsss≤3.5。最好是Fsss≤1.5。

本发明的金属陶瓷切削刀具材料，是采用一种多元复式碳氮化物陶瓷粉末与TiC等两种以上碳化物陶瓷粉末混合制备，且含有少量的金属元素Zr和高含量的Ni，因此具有较高的硬度HRA91.7～93.0、较高的抗弯强度σЬ＝2150～1500MPa，除具有较好的耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性和与金属间极低的磨擦系数等优点之外，其强韧性也很优良，是一种可用于切削金属和合金的优质刀具材料。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述。

TN01～TN05是采用本发明方法的实施例1～5的原料(表2)及工艺条件制备的金属陶瓷切削刀具材料，其各组成成分如表1所示。

表1本发明实施例1～5制备的金属陶瓷材料各组成成分表(wt％)

实施例 Ti W Ta Zr Nb Cr V Al Mo Ni Co C+N

TON1 44.2 14.0 5.0 0 0 0 0 0 9.0 10.2 5.5 12.1

TON2 37.3 15.0 5.0 0 3.0 0 0 0 10.5 10.0 6.5 12.7

TON3 39.0 17.5 1.5 0 2.0 0 0 0 10.0 12.0 5.5 12.5

TON4 30.7 18.5 0.5 0.1 4.0 0.5 0.5 0.5 16.0 8.5 9.0 11.2

TON5 37.1 20.0 0 0 0 0 0 0 9.0 8.5 15.0 10.5

表2 本发明实施例1～5制备金属陶瓷材料所用原料粉末

实施例原料粉末 Fsss

TON1 Ti(C，N)；TiC，WC，(Ti，Ta，W)C，Mo2C；Ni，Co 1.0

TON2 (Ti，Ta，W)(C，N)；TiC，WC，(Ti，Ta，Nb)C；Mo，Ni，Co 2.0

TON3 (Ti，W)(C，N)；(Ti，W，Ta，Nb)CN；TiC，WC，Mo2C，；Ni，Co 1.5

TON4 (Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)；TiC，WC，ZrC，Cr2C3，VC，TiAlC2；Ni，Co 3.0

TON5 Ti(C，N)；TiC，WC，Mo2C；Ni，Co 3.5

将能符合表1最终各组成成分重量百分比的对应表2所列各种原料粉末混合进行湿磨，制备金属陶瓷混合料。表2所列原料中的各成分按重量比计分别为：

TON1的原料Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.4。

TON2的原料(Ti，Ta，W)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.5，Ti0.7，W0.2；Ta0.1。

TON3的原料(Ti，W)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.6，Ti0.8，W0.2；(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.6，Ti0.7，W0.15，Ta0.1，Nb0.05。

TON4的原料(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)粉末中N/(N+C＝0.5，Ti0.4，W0.3，Ta0.2，Nb0.05，Mo0.05。

TON5的原料Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.7。

将经过湿磨制备的Fsss粒度为1.0的混合料沉淀96小时，真空干燥，再加入成型剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段聚合物，加入量为混合料重量的10％，经干燥制粒、压制成型，然后在真空炉内进行脱蜡处理，该处理在真空度高于5Pa的条件下进行，并在520℃保温120min，随后进行真空烧结，其真空度高于0.1Pa，升温至1450～1500℃时保温60min，最后在真空环境下冷却。

用上述原料组分及制备工艺条件制得的金属陶瓷切削刀具的力学性能如表3。

表3 本发明实施例1～5制备的金属陶瓷材料的力学性能

实施例硬度HRA 抗弯强度MPa

TON1 92.3 1710

TON2 92.5 1630

TON3 92.0 1860

TON4 93.0 1500

TON5 91.7 2150

将本发明制备的金属陶瓷材料制成刀片与国外市场上的同类金属陶瓷刀片进行切削实验对比。切削实验在CA6140机床进行，刀片型号：SNMG120408，几何参数：Kr＝75 ；切削材料为45#钢，切削工艺参数如下：切削速度v＝320m/min，切削深度aP＝1.0mm，进给量f＝0.2mm/rev，计算后刀面磨损高度达到同一磨损高度VB＝0.3mm时的切削时间。结果如表4所示。金属陶瓷刀片T1200A和CT525分别为日本住友公司和瑞典Sandvik公司生产的产品。

表4 本发明实施例1～5制备的金属陶瓷材料的切削性能对比

试样 TONl TON2 TON3 TON4 TON5 T1200A CT525

到VB＝0.3mm的切削时间(min)45 45 30 55 21 30 30

从表4可见，切削45#碳钢时，在相同的切削条件下达到VB＝0.3mm时，本发明的TON1与TON2金属陶瓷刀片的寿命较T1200A、CT525提高了约50％，TON5金属陶瓷刀片的切削性能与T1200A、CT525相当，TON4较T1200A、CT525提高了近一倍。

Claims

1.一种金属陶瓷切削刀具材料，其各组成成分重量百分比为：Ti30～55，W≥13且＜20，Ta0～5，Zr0～0.1，Nb0～10，Cr0～1.0，V0～5.0，Al0～1.0，Mo9～16，Ni＞6.5且≤15，Co5.5～15，其余成分为C与N；按在组成中的重量百分比计，Ta+Nb＝0～10，Ni+Co＝12～25，且Ni/(Ni+Co)＝0.2～0.8。

2.权利要求1所述金属陶瓷切削刀具材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将最终能满足权利要求1所述的金属陶瓷切削刀具材料各组成成分重量百分比的一种多元复式碳氮化物陶瓷粉末与两种以上碳化物陶瓷粉末和金属粉末混合进行湿磨，湿磨后经沉淀干燥，制得混合料；所述多元复式碳氮化物陶瓷粉末为Ti(C，N)粉末，也可以为Ti、W、Ta、Nb、Mo的碳氮化物固溶体陶瓷粉末(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)、(Ti，W)(C，N)、(Ti，W，Ta)(C，N)、(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)；所述的碳化物陶瓷粉末为Ti、W的碳化物粉末，Ta、Nb、Zr、V、Cr、Al、Mo的碳化物粉末和/或它们与Ti、W的固溶体碳化物粉末，所述的金属粉末为Ti、W的固溶体碳化物粉末，所述的金属粉末为Ni、Co和/或Mo的粉末；

(2)按混合料重量的8～15％加入成型剂，混合后进行干燥制粒，压制成型；所述成型剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物或聚乙二醇；

(3)将压制成型料在真空炉中进行脱蜡和烧结，脱蜡真空度高于5Pa，升温至400～650℃之间保温90～150min；烧结的真空度高于0.1Pa，升温至1450～1500℃保温30～100min，然后在真空环境下冷却。

3.根据权利要求书2所述的金属陶瓷切削刀具材料的制备方法，其特征在于按组分重量比计时，多元复式碳氮化物陶瓷粉末中N/(N+C)＝0.4～0.7。

4.根据权利要求3所述的金属陶瓷切削刀具材料的制备方法，其特征在于所述碳氮化物固溶体陶瓷粉末在按各金属元素重量比计时，(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)粉末中，0.3≤Ti≤0.7，0.1≤W≤0.3，0.1≤Ta≤0.3，0.05≤Nb≤0.3，0.05≤Mo≤0.3；(Ti，W)(C，N)粉末中，0.3≤Ti≤0.9，0.1≤W≤0.7；(Ti，W，Ta)(C，N)粉末中，0.3≤Ti≤0.8，0.1≤W≤0.3，0.1≤Ta≤0.4；(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末中，0.3≤Ti≤0.7，0.1≤W≤0.3，0.1≤Ta≤0.3，0.05≤Nb≤0.3。

5.根据权利要求2所述的金属陶瓷切削刀具材料的制备方法，其特征在于所述Ta元素以TaC或(Ti，Ta)C或(Ti，W，Ta)C或(Ta，Nb)C的形式加入；Nb元素以NbC或(Ti，Nb)C或(Ti，W，Nb)C或(Ta，Nb)C的形式加入；V元素以VC或(Ti，V)C或(Ti，W，V)C的形式加入；Zr，Cr和Al元素分别以ZrC、Cr2C3和TiAlC2的形式加入。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的金属陶瓷切削刀具材料的制备方法，其特征在于所述碳氮化物、碳化物陶瓷粉末和金属粉末粒度为Fsss≤3.5。