CN1271706A - 高耐磨性复合金属陶瓷刀具材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一类复合金属陶瓷刀具材料,它是采用碳氮化钛Ti(CN)作为主相,采用Si3N4－Al2O3作为复合耐磨相,以金属粘结相及氧化物和碳化物作为添加剂,经过混合成型烧结而达到完全致密化。本发明的复合金属陶瓷刀具与传统的金属陶瓷刀具相比,具有更好的耐磨性、耐热性和优良的切削性能。适合于淬硬钢、合金耐磨铸铁、高强度钢等一系列超硬难加工材料的加工,也可以用来制作模具,喷嘴等耐磨、耐腐蚀机械零部件。
Description
本发明属于材料科学技术领域，特别涉及一类复合碳氮化钛Ti(CN)金属陶瓷刀具材料。
目前大量生产的金属陶瓷，是以碳氮化钛Ti(CN)作为耐磨相，以金属钼(Mo)，镍(Ni)等作为粘结相，经高温烧结而成的金属陶瓷刀具材料，这种刀具材料有很高的抗弯强度和断裂韧性，但是它的硬度不是很高的，洛氏硬度约为HRA91～92左右。特别是高温硬度更差，因而它的切削能力受到限制，对于硬度高达HRC60度以上的工件材料，它是难以胜任的，耐用度和寿命也不长。此外由于Ti(CN)金属陶瓷需要相当数量的Mo，Ni来进行烧结，所以影响高温性能，因此在保证烧结致密的情况下如何减少金属相含量，也是很重要的。
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提高金属陶瓷刀具材料的耐磨性和高温性能。提出一种高耐磨性复合金属陶瓷刀具材料，通过添加氮化硅-氧化铝(Si3N4-Al2O3)作为弥散相，可以提高金属陶瓷的硬度和高温性能：通过添加氧化物和碳化物如氧化钇(Y2O3)，氧化镁(MgO)，氧化镍(NiO)，碳化钼(Mo2C)，碳化锆(ZrC)等，减少金属钼(Mo)，镍(Ni)的含量，同时能通过烧结而达到致密化。
本发明提出的一种高耐磨性复合金属陶瓷刀具材料，其特征在于，用碳氮化钛Ti(CN)作为主相，用氮化硅-氧化铝(Si3N4-Al2O3)作为复合耐磨弥散相，用金属钼(Mo)和镍(Ni)作为粘结相，用氧化物氧化钇(Y2O3)，氧化镍(NiO)，氧化镁(MgO)中的一种以上和碳化物碳化钼(Mo2C)，碳化锆(ZrC)中的一种或两种作为烧结添加剂混合烧结而成。
所说的Ti(CN)与耐磨弥散相Si3N4-Al2O3的摩尔比可为60∶40～95∶5；氧化物添加剂的加入量可为总重量的0.5～10％；碳化物添加剂Mo2C，ZrC可占材料总重量的1～15％；金属相Mo，Ni可占材料的总体积的2～12％。
所说的Si3N4-Al2O3复合耐磨相中的Si3N4的含量可为0～100％。
在上述本发明的配方中采用市售的Ti(CN)粉末，其纯度＞98％，平均粒度为1～2μ；采用α-Si3N4、αAl2O3粉末的一种或两种作为增加耐磨性的分散相，其中α-Si3N4粉纯度为≥97％，平均粒度为1～3μ；α-Al2O3粉的纯度为≥99％，平均粒度为1～3μ。
本发明采用如下的工艺：将上述各组成按比例混合，放入磨机中，用无水酒精或甲醇作为研磨介质；用Al2O3球、Si3N4球或碳化钨(WC)球作为研磨体，料∶球比为1∶1～8，混合研磨时间为12～96小时，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氮气流中过筛，然后密封备用。
烧结工艺采用无压烧结法、热压法或无压烧结、热等静压法。采用热压法时，将备用的混合粉料放入石墨模具中，然后在热压炉中进行热压，热压温度为1600～1850℃，热压压力为15～40Mpa，用氢气或氩气保护，热压保温时间为20～30分钟。然后将热压好的坯体采用金刚石砂轮或线切割的方法加工成所需形状；采用无压烧结-热等静压法时，须将混合粉料压制成所需的形状，然后在真空或无压烧结炉中进行烧结，采用氢气或氩气保护，烧结温度为1600～1800℃，时间为20～90分钟。烧结后可根据应用情况，直接最终加工成刀片，或进行第二次热等静压烧结，热等静压的气体压力为100～200Mpa，温度为1600～1800℃，保温时间为10～60分钟，用Ar气或H2气进行保护。
本发明的复合金属陶瓷刀具与传统的金属陶瓷刀具相比，具有更好的耐磨性、耐热性和优良的切削性能。适合于淬硬钢、合金耐磨铸铁、高强度钢等一系列超硬难加工材料的加工，也可以用来制作模具，喷咀等耐磨、耐腐蚀机械零部件。
实施例1：
取Si3N4-Al2O3作为复合耐磨弥散相，其加入量与Ti(CN)的摩尔比为14∶20∶66。另加入重量百分比为3％Y2O3，1％MgO，2％ZrC，以及3％体积比的金属相Mo，Ni，金属相中Ni，Mo的重量比为1∶2。然后加入Al2O3磨球和酒精，料球比为1∶2，球磨72小时，真空干燥后过筛，然后放在石墨模具中热压，热压温度为1800℃，热压压力为30Mpa，保温30分钟，然后将试件切割加工，测出其力学性能如下：抗弯强度为780Mpa，断裂韧性K1c为6.5Mpam1/2，硬度为HPA94.5。
实施例2：
取Si3N4作为耐磨弥散相，其加入量与Ti(CN)的摩尔比为16∶84，另加入重量百分比为5％Y2O3，3％MgO，及4％Mo2C；以及5％体积比的金属相Mo，Ni，金属相中Ni，Mo的重量比为1∶1。然后加入WC磨球和酒精，料球比为1∶8，球磨96小时，真空干燥后过筛，然后放在石墨模具中热压，热压温度为1750℃，压力为30Mpa，保温30分钟，然后将试件切割加工，测定其力学性能如下：抗弯强度为890Mpa，断裂韧性为7.2Mpam1/2，硬度为HRA94。
实施例3：
取Al2O3作为耐磨弥散相，其加入量与Ti(CN)的摩尔比为28∶72，另加入重量百分比1％Y2O3，0.5％MgO，1％NiO以及8％Mo2C，2％ZrC，以及3％体积比的金属相Ni，Mo，金属相中Ni，Mo的重量比为2∶1。然后加入Al2O3磨球和酒精，料球比为1∶2，球磨72小时，真空干燥后过筛，然后放入石墨模具中热压，热压温度为1800℃，热压压力为30Mpa，保温30分钟，然后将试件切割加工，测出其力学性能如下：抗弯强度为850Mpa，断裂韧性K1c为6.4Mpam1/2，硬度HRA为94.2。
实施例4：
取Al2O3作为耐磨弥散相，其加入量与Ti(CN)的摩尔比为14∶86，另加入重量1％Y2O3，0.5％MgO，0.5％NiO及4％ZrC，以及10％体积比的金属相Ni，Mo，金属相中Ni，Mo的重量比为1∶1。然后加入Al2O3磨球和酒精，料球比为1∶2，球磨72小时，真空干燥后过筛。然后放入石墨电阻烧结炉中进行烧结，烧结温度为1750℃，恒温时间为60分钟，将试件取出后放入热等静压炉中进行再烧结，烧结温度为1750℃，压力为200Mpa，时间为30分钟，使之达到完全致密，然后进行加工，测定其力学性能为：抗弯强度为920Mpa，断裂韧性为7.5Mpam1/2，硬度HRA为93.5。
用上述复合金属陶瓷材料制作的刀具具有优良的切削性能，在对硬度为HRC55度的CrWMn淬硬钢进行切削试验时，切削深度为0.25mm，进给量为0.1mm/转，切削速度为107m/min，切削路程为1373米。其后刀面磨损值为0.07mm～0.10mm，而采用市售的Al2O3-TiC陶瓷刀具为0.16mm；在对硬度为HRC63的86CrMoV7冷轧辊进行加工，纯的金属陶瓷刀片基本上加工不动，用本发明的复合金属陶瓷刀具，切削深度为1mm，切削速度为60～80m/min，单刃切削总路程为1.5万米，此时后刀面磨损值为0.1mm，而采用市售的Al2O3-TiC陶瓷刀具则为0.32mm。
Claims (6)
1、一种高耐磨性复合金属陶瓷刀具材料，其特征在于，用碳氮化钛作为主相，用氮化硅-氧化铝作为复合耐磨弥散相，用金属钼和镍作为粘结相，用氧化物氧化钇，氧化镍，氧化镁中的一种以上和碳化物碳化钼，碳化锆中的一种或两种作为烧结添加剂混合烧结而成。
2、根据权利要求1所述的复合金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所说的碳氮化钛与耐磨弥散相氮化硅-氧化铝的摩尔比为60∶40～95∶5。
3、根据权利要求1所述的复合金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所说的氧化物添加剂的加入量为总重量的0.5～10％。
4、根据权利要求1所述的复合金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所说的碳化物添加剂碳化钼，碳化锆占材料总重量的1～15％。
5、根据权利要求1所述的复合金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所说的金属相Mo，Ni占材料的总体积的2～12％。
6、根据权利要求2所述的复合金属陶瓷材料，其特征在于，所说的氮化硅-氧化铝复合耐磨相中的氮化硅的含量为0～100％。
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