CN1410575A

CN1410575A - 一种金属陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN1410575A
Application number: CN 02139792
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: 2003-04-16
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: CN1180110C

Abstract

本发明公开了一种Ti(C，N)基金属陶瓷及制备方法。该金属陶瓷各组成成份重量百分比为：Ti30～65，W8～25，Ta1.0～15.0，Zr0.1～5.0，Nb0～10，Cr0～1.0，V0～5.0，Al0～1.0，Mo4.5～20，Ni3.5～15，Co4.5～15，其余成分为C和N。该金属陶瓷是由两种或两种以上不同组元的多元复式碳氮化物陶瓷粉末，与Ti、W、Ta、Nb、V、Zr、Cr、Al、Mo等的碳化物粉末和/或它们之间的固溶体碳化物粉末以及金属Co、Ni、Mo等的粉末混合，经球磨粉碎、压制成型、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，可用于切削刀具和拉丝模、压制模等模具材料。

Description

一种金属陶瓷及其制备方法

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，尤其在精加工、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，并有产品投放市场。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1985？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TiC_x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^-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。该发明的目的是提供一种具有较高强度(σ_b＝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

本发明针对现有技术的不足，提供一种新型的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，在保持高硬度、高耐磨性的前提下，较大幅度地提高其强度和韧性，使其具有优良的综合性能，既可很好地适用于切削工具材料，又可作为拉丝模、压制模等模具材料。同时本发明还提供该新型Ti(C，N)基金属陶瓷材料的制备方法。

本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷各组成成份重量百分比为：Ti30～65，W8～25，Ta1.0～15.0，Zr0.1～5.0，Nb0～10，Cr0～1.0，V0～5.0，Al0～1.0，Mo4.5～20，Ni3.5～15.0，Co4.5～15，其余成分为C和N。

本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷按在组成中的重量百分比计，Ta+Nb+V＝1.0～20，Ni+Co＝8～25且Ni/(Ni+Co)＝0.2～0.8较好。

本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：(1)将最终能满足上述的本发明金属陶瓷各组成成份重量百分比的碳氮化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末与金属粉末混合进行湿磨，湿磨后经沉淀干燥，制得混合料；(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；(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，在升温至250～350℃和400～650℃之间时各保温90～150min；烧结真空度高于0.1Pa，烧结工艺为：升温至1300℃保温30～50min；再升温至1400～1500℃保温30～100min；并在真空环境下冷却。

采用本发明的金属陶瓷制备方法，所用的原料中碳氮化物陶瓷粉末至少包括两种或两种以上不同组元的多元复式碳氮化物固溶体陶瓷粉末，特别是至少含有一种Ti(C，N)粉末和(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)、(Ti，W)(C，N)、(Ti，W，Ta)(C，N)、(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)等Ti、W、Ta、Nb、Mo的多元复式碳氮化物固溶体粉末中的一种，且按重量比计时，Ti(C，N)粉末中，N/(N+C)＝0.6～0.8，Ti、W、Ta、Nb、Mo等多元复式碳氮化物固溶体粉末中，N/(N+C)＝0.3～0.6。

此外，所用的多元复式碳氮化物固溶粉末原料中金属元素Ti，W，Ta，Nb，Mo的重量有一定的比例，一般来说，按重量百分比计时，(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；(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。

采用本发明的金属陶瓷制备方法，所用的原料中碳化物陶瓷粉末采用Ti、W、Ta、Nb、V、Zr、Cr、Mo等的碳化物和/或他们的固溶体碳化物粉末，金属粉末则采用Ni、Co和/或Mo粉。

采用本发明的金属陶瓷制备方法，所用的原料中碳氮化物、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。

本发明的金属陶瓷制备方法采用的成型剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物或聚乙二醇。

本发明采用两种以上不同组元的多元复式碳氮化物固溶体陶瓷粉末制备金属陶瓷，且含有少量金属元素Zr，与前述专利技术及市场上的Ti(C，N)基金属陶瓷相比，本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，具有较高的硬度(HRA92.0～93.5)、较高的抗弯强度(σ_b＝2050～1400Mpa)，因此除具有较好的耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性，极低的与金属间磨擦系数等优点外，其强韧性也很优良，既可用于切削金属和合金的刀具材料，又可用于拉丝模，压制模等模具材料。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：将粒度为1.0(Fsss，下同)、且符合设定的最终组成成分重量百分比的Ti(C，N)和(Ti，W，Ta)(C，N)碳氮化物陶瓷粉末、(Ti，W，Ta)C、WC、TiC、ZrC、NbC和Mo2C碳化物陶瓷粉末与金属Ni、Co粉末混合后湿式球磨48～96小时，在Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.7(重量比，下同)；(Ti，W，Ta)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.37，Ti0.7，W0.2，Ta0.1(重量百分比，下同)。将制备的混合料沉淀36～96小时，真空干燥，再加入成型剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物，加入重量为混合料重量的10％，混合后经干燥制粒、压制成型，然后在真空炉内进行脱蜡处理，处理时真空度高于5Pa，并在300℃保温120min，520℃保温120min，随后进行真空烧结，其真空度高于0.1Pa，升温至1300℃保温30min后，再升温至1500℃，保温60min，最后在真空环境下冷却。

以上述原料组分及制备工艺条件制得的金属陶瓷各组成成分重量百分比为：Ti40.1，W15.8，Ta5.3，Nb1.0，Zr0.3，V0，Al0，Mo10，Ni10，Co5.1，C+N12.4，其中Ta+Nb+V＝6.3，Ni＞Co且Ni/(Ni+Co)＝0.66；金属陶瓷材料性能指标为硬度HRA92.2，抗弯强度2050MPa。

实施例2：将粒度为1.5、且符合设定的最终组成成分重量百分比的Ti(C，N)和(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)碳氮化物陶瓷粉末、(Ti，W，Ta，Nb)C、WC、TiC、ZrC、TaC和VC碳化物陶瓷粉末与金属Ni、Co、Mo粉末混合在高能球磨机内湿磨20小时，其中Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.65；(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.3，Ti0.7，W0.1，Ta0.1，Nb0.1。将制备的混合料不经沉淀直接真空干燥，再加入成型剂聚乙烯醇，加入重量为混合料重量的8％，混合后经干燥制粒、压制成型，然后在真空炉内进行脱蜡处理，处理时真空度高于5Pa，并在350℃保温150min，600℃保温150min；随后进行真空烧结，其真空度高于0.1Pa，升温至1300℃保温30min后，再升温至1480℃，保温90min，最后在真空环境下冷却。

以上述原料组分及制备工艺条件制得的金属陶瓷各组成成分重量百分比为：Ti37.2，W14.2，Ta6.6，Nb0.9，Zr0.1，V1.0，Al0，Mo9.5，Ni12，Co6，C+N12.5，其中Ta+Nb+V＝8.5，Ni＞Co且Ni/Ni+Co＝0.66；金属陶瓷材料性能指标为硬度HRA92.5，抗弯强度1860MPa。

实施例3：将粒度为2.5、且符合设定的最终组成成分重量百分比的Ti(C，N)和(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)碳氮化物陶瓷粉末、(Ti，Ta)C、WC、TiC、ZrC、Cr₃C₂和Mo₂C碳化物陶瓷粉末与金属Ni、Co粉末混合湿式球磨72小时，其中Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.65；(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.5，Ti0.7，W0.1，Ta0.1，Nb0.05，Mo0.05。将制备的混合料沉淀96小时，真空干燥，再加入成型剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物，加入重量为混合料重量的15％，混合后经干燥制粒、压制成型，然后在真空炉内进行脱蜡处理，处理时真空度高于5Pa，并在250℃保温150min，550℃保温150min；随后进行真空烧结，其真空度高于0.1Pa，升温至1300℃保温30min后，再升温至1490℃，保温75min，最后在真空环境下冷却。

以上述原料组分及制备工艺条件制得的金属陶瓷各组成成分重量百分比为：Ti38.0，W17.0，Ta8.4，Nb1.6，Cr1.0，Zr0.5，V0，Al0.5，Mo4.5，Ni6.5，Co10，C+N12.7，其中Ta+Nb+V＝10，Ni＜Co且Ni/Ni+Co＝0.39；金属陶瓷材料性能指标为硬度HRA92.7，抗弯强度1825MPa。

实施例4：将粒度为3.5、且符合设定的最终组成成分重量百分比的Ti(C，N)和(Ti，W)(C，N)碳氮化物陶瓷粉末、(Ti，W，Ta)C、WC、ZrC、和TiC碳化物陶瓷粉末与金属Ni、Co和Mo粉末混合湿式球磨36小时，其中Ti(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.67；(Ti，W)(C，N)粉末中N/(N+C)＝0.3，Ti0.8，W0.2。将制备的混合料沉淀48小时，真空干燥，再加入成型剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物，加入重量为混合料重量的12％，混合后经干燥制粒、压制成型，然后在真空炉内进行脱蜡处理，处理时真空度高于5Pa，并在320℃保温90min，600℃保温150min；随后进行真空烧结，其真空度高于0.1Pa，升温至1300℃保温30min后，再升温至1460℃，保温90min，最后在真空环境下冷却。

以上述原料组分及制备工艺条件制得的金属陶瓷各组成成分重量百分比为：Ti45.6，W10.2，Ta1.0，Nb0，Zr5.0，V0，Al0，Mo10.1，Ni9.0，Co7.5，C+N11.6，其中Ta+Nb+V＝1.0，Ni＞Co且Ni/Ni+Co＝0.55；金属陶瓷材料性能指标为硬度HRA93.5，抗弯强度1437MPa。

Claims

1.一种金属陶瓷，其各组成成份重量百分比为：Ti30～65，W8～25，Ta1.0～15.0，Zr0.1～5.0，Nb0～10，Cr0～1.0，V0～5.0，Al0～1.0，Mo4.5～20，Ni3.5～15，Co4.5～15，其余成分为C和N。

2.根据权利要求1所述的金属陶瓷，其特征在于按在组成中的重量百分比计，Ta+Nb+V＝1.02～0，Ni+Co＝8～25，且Ni/(Ni+Co)＝0.2～0.8。

3.权利要求1所述金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)将最终能满足权利要求1所述的金属陶瓷各组成成分重量百分比的碳氮化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末与金属粉末混合进行湿磨，湿磨后经沉淀干燥，制得混合料；

(2)按混合料重量的81～5％加入成型剂，混合后进行干燥制粒，经压制成型；

(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，在升温至250～350℃和400～650℃之间各保温90～150min；烧结真空度高于0.1Pa，烧结工艺为：升温至1300℃保温30～50min；再升温至1400～1500℃保温30～100min；并在真空环境下冷却。

4.根据权利要求3所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述碳氮化物陶瓷粉末至少包括两种或两种以上不同组元的多元复式碳氮化物固溶体陶瓷粉末，特别是至少含有一种Ti(C，N)粉末和一种Ti、W、Ta、Nb、Mo等的多元复式碳氮化物固溶体粉末。

5.根据权利要求4所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述Ti(C，N)粉末中，按重量比计时，N/(N+C)＝0.6～0.8。

6.根据权利要求4所述的的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述多元复式碳氮化物固溶体粉末可以为(Ti，W，Ta，Nb，Mo)(C，N)粉末，还可以为(Ti，W)(C，N)，或(Ti，W，Ta)(C，N)，或(Ti，W，Ta，Nb)(C，N)粉末，且按重量比计时，这些粉末中N/(N+C)＝0.3～0.6。

7.根据权利要求6所述的的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述的多元复式碳氮化物固溶粉末中金属元素按重量百分比计时，(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≤0.7，0.1≤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；(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。

8.根据权利要求3所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述碳化物陶瓷粉末由Ti、W、Ta、Nb、V、Zr、Cr、Mo等碳化物和/或他们的固溶体碳化物粉末组成；所述金属粉末采用Ni、Co和(或)Mo粉。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的金属陶瓷的制备方法，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。

10.根据权利要求3所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于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。