CN1603280A - 氮化金属陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
氮化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、改进氮化处理工艺、形成梯度结构的手段进一步提高其表面硬度和心部韧性,该金属陶瓷的成分为:29≤TiC≤45,8≤TiN≤12,28≤Ni≤32,11≤Mo≤15,7≤WC≤10,0.5≤C≤1,0.5≤NbC≤1。其制备工艺为:将TiC与TiN粉末混合,通过机械合金化制备包括纳米级的Ti(C,N)固溶体的混合物,再将其与WC、NbC、Mo、Ni、C粉一起配制成符合上述成分的混合料,加入成型剂、压制成型;脱脂;烧结;高温高压氮化处理。所述材料具有高硬度,高抗弯强度,HV≥2000,σbb≥1800MPa。可用于刀具、拉丝模、压制模等。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料及其制备方法,特别涉及高温高压氮化Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法。
背景技术
随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在机械制造业中的应用,机械加工的辅助工时大为缩短,切削加工成为机械制造业提高加工效率的主要矛盾。为了进一步降低成本,减少切削液对环境的污染,高速干式切削成为当前机械制造业研究的重点,称为理想的绿色制造工艺方法。刀具材料是高速切削和干式切削必不可少的相关技术,具有较大的市场需求,因此,开发适合高速切削和干式切削的高性能刀具具有十分重要的意义。
目前,市场上高性能刀具多为采用物理气相沉积TiN制备的涂层硬质合金刀具,但反应出的问题是涂层硬质合金刀具的界面结合强度低,涂层易剥落,在较高的转速条件下,由于震动很大,这些牌号的刀具至今基本上没有得到实际运用。
Ti(C,N)基金属陶瓷不但具有较高的硬度、红硬性、优良的化学稳定性和抗氧化性、与金属间极低的摩擦系数和较强的抗冷焊磨损能力,而且还有较高的韧性和强度,非常适合用作刀具。但是其最大的缺点是制备过程中易产生裂纹,成品率较低。
发明内容
本发明提供一种氮化金属陶瓷,在保持Ti(C,N)基金属陶瓷优越性的前提下,有效消除材料裂纹,使产品的成品率提高,耐磨性能更高,具有较低的生产成本;本发明的另一目的是提供制备上述氮化金属陶瓷的方法,采取优化材料成分、改进氮化处理工艺、形成梯度结构的手段使此类材料在保持原有优越性的基础上,表面硬度提高,芯部具有较高韧性。
本发明的一种高温高压氮化金属陶瓷,其基体由硬质相和粘结相组成,其特征在于:硬质相包括六角WC、面心立方的碳化物TiC、(Ti,W)C、(Ti,Mo)C、ZrC、氮化物TiN和碳氮化物Ti(C,N)或这些硬质相的预制合金粉末,它们形成两相四组分碳氮化物;粘结相包括Ni和烧结时来自硬质相的元素;其成分重量比为:29≤TiC≤45,8≤TiN≤12,28≤Ni≤32,11≤Mo≤15,7≤WC≤10,0.5≤C≤1,0.5≤NbC≤1,该金属陶瓷的金相组织在扫描电子显微镜下可观察到包括黑色芯相、白色芯相、灰色环形相和白色粘结相。
所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法,依次包括如下步骤:(1)将所述重量配比的TiC与TiN粉末混合,用机械合金化制备包括纳米级的Ti(C,N)固溶体的混合物,再将其与所述重量配比的WC、NbC、Mo、Ni、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)经真空烧结和高温高压氮化处理而成。
所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法,其进一步的特征为:
(1)机械合金化在球磨机中进行;
(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)高温高压氮化处理在氮气中进行。
所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法,其更进一步特征为:
(1)机械合金化过程所用转速为240-350rpm,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160-300Mpa;
(3)脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行,在450-600℃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1410-1430℃,保温时间为50-90min;
(5)高温高压氮化处理过程中所用氮气压力为90-130Mpa,处理温度1100-1300℃,时间为60-120min。
对材料进行表面处理可消除表面裂纹、降低表面刚度、增加裂纹扩展能和在表面区域产生一个残余压应力等作用,对刀具材料进行表面处理可显著提高切削加工性能。在保持Ti(C,N)基金属陶瓷优越性的前提下,对其进行高温高压氮化处理,可有效消除材料制备过程中产生的裂纹,使产品的成品率提高,获得表面为金黄色的TiN,从表层至心部材料成分、性能呈梯度分布的梯度材料,而且由于NbC的加入,使金属陶瓷的晶粒保持细小,所获得的氮化金属陶瓷刀具综合性能优异。
高温高压氮化Ti(C,N)基金属陶瓷与涂层硬质合金相比,它在以下方面具有明显的优势:有较高的切削速度;被加工工件有较好的表面性能;耐磨性能更高;其梯度结构使各项性能从材料表面至心部过渡平缓,没有明显的界面,这样就不存在界面结合强度和涂层剥落问题;节约价格昂贵的WC、Co资源,在达到与涂层硬质合金相同性能的条件下,具有较低的生产成本。因此,高温高压氮化Ti(C,N)基金属陶瓷可以填补国内刀具市场上高性能刀具的空白,其应用领域还可以扩展到模具市场。
本发明的高温高压氮化Ti(C,N)基金属陶瓷,其HV≥2000,σbb≥1800MPa,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、较强的抗冷焊磨损能力等优点外,其表面高硬度与心部高韧性使其具有优良的综合机械性能,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
以下结合实施例进一步说明本发明的技术效果。
表1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14种混合料的成分重量配比
成分 TiC TiN WC Ni Mo NbC C
1# 29 12 10 32 15 1 1
2# 33 11 9 31 14 1 1
3# 38 10 8 30 13 0.5 0.5
4# 45 8 7 28 11 0.5 0.5
实施例1:
机械合金化过程所用转速为280rpm,时间为98h;
成型剂聚乙烯醇的加入量为4wt%,压制成型所用压力为200Mpa;
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50min;
氮化处理的氮气压力为100MPa,处理温度为1300℃,保温时间为120min。
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2。
表2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σbb(MPa) 1802 1927 1911 1925
硬度(HV) 2102 2012 1989 2023
实施例2:
机械合金化过程所用转速为310rpm,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220Mpa;
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1415℃,保温时间为60min;
氮化处理的氮气压力为120MPa,处理温度为1100℃,保温时间为120min。
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3。
表3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σbb(MPa) 1876 1968 1993 1976
硬度(HV) 2100 2045 2002 2040
实施例3:
机械合金化过程所用转速为350rpm,时间为122h;
成型剂聚乙烯醇的加入量为8wt%,压制成型所用压力为280Mpa;
脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行,保温温度为450℃,保温时间为8h。
真空烧结的真空度高于1.0×10-1Pa,烧结温度为1420℃,保温时间为70min;
氮化处理的氮气压力为130MPa,处理温度为1200℃,保温时间为120min。
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3制备出的不同金属陶瓷的性能
成分 1# 2# 3# 4#
抗弯强度σbb(MPa) 1797 1878 1986 1959
硬度(HV) 2109 2021 2001 2042
实施例4:
机械合金化过程所用转速为280rpm,时间为98h;
成型剂聚乙烯醇的加入量为4wt%,压制成型所用压力为200Mpa;
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1430℃,保温时间为90min;
氮化处理的氮气压力为110MPa,处理温度为1300℃,保温时间为60min。
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4制备出的不同金属陶瓷的性能
成分 1# 2# 3# 4#
抗弯强度σbb(MPa) 1832 1987 1978 1909
硬度(HV) 2102 2079 1998 2074
Claims (4)
1、一种高温高压氮化金属陶瓷,其基体由硬质相和粘结相组成,其特征在于:硬质相包括六角WC、面心立方的碳化物TiC、(Ti,W)C、(Ti,Mo)C、ZrC、氮化物TiN和碳氮化物Ti(C,N)或这些硬质相的预制合金粉末,它们形成两相四组分碳氮化物;粘结相包括Ni和烧结时来自硬质相的元素;其成分重量比为:29≤TiC≤45,8≤TiN≤12,28≤Ni≤32,11≤Mo≤15,7≤WC≤10,0.5≤C≤1,0.5≤NbC≤1,该金属陶瓷的金相组织在扫描电子显微镜下可观察到包括黑色芯相、白色芯相、灰色环形相和白色粘结相。
2、权利要求1所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法,依次包括如下步骤:
(1)将所述重量配比的TiC与TiN粉末混合,用机械合金化制备包括纳米级的Ti(C,N)固溶体的混合物,再将其与所述重量配比的WC、NbC、Mo、Ni、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)经真空烧结和高温高压氮化处理而成。
3、如权利要求2所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法,其特征为:
(1)机械合金化在球磨机中进行;
(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)高温高压氮化处理在氮气中进行。
4、如权利要求3所述的高温高压氮化金属陶瓷的制备方法,其特征为:
(1)机械合金化过程所用转速为240-350rpm,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160-300Mpa;
(3)脱脂工序在真空度高于5Pa的条件下进行,在450-600℃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1410-1430℃,保温时间为50-90min;
(5)高温高压氮化处理过程中所用氮气压力为90-130Mpa,处理温度1100-1300℃,时间为60-120min。
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