專利名稱：氮化金屬陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料及其制備方法，特別涉及高溫高壓氮化Ti(C，N)基金屬陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心和柔性制造系統(tǒng)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用，機(jī)械加工的輔助工時(shí)大為縮短，切削加工成為機(jī)械制造業(yè)提高加工效率的主要矛盾。為了進(jìn)一步降低成本，減少切削液對(duì)環(huán)境的污染，高速干式切削成為當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)研究的重點(diǎn)，稱為理想的綠色制造工藝方法。刀具材料是高速切削和干式切削必不可少的相關(guān)技術(shù)，具有較大的市場需求，因此，開發(fā)適合高速切削和干式切削的高性能刀具具有十分重要的意義。
目前，市場上高性能刀具多為采用物理氣相沉積TiN制備的涂層硬質(zhì)合金刀具，但反應(yīng)出的問題是涂層硬質(zhì)合金刀具的界面結(jié)合強(qiáng)度低，涂層易剝落，在較高的轉(zhuǎn)速條件下，由于震動(dòng)很大，這些牌號(hào)的刀具至今基本上沒有得到實(shí)際運(yùn)用。
Ti(C，N)基金屬陶瓷不但具有較高的硬度、紅硬性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性、與金屬間極低的摩擦系數(shù)和較強(qiáng)的抗冷焊磨損能力，而且還有較高的韌性和強(qiáng)度，非常適合用作刀具。但是其最大的缺點(diǎn)是制備過程中易產(chǎn)生裂紋，成品率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種氮化金屬陶瓷，在保持Ti(C，N)基金屬陶瓷優(yōu)越性的前提下，有效消除材料裂紋，使產(chǎn)品的成品率提高，耐磨性能更高，具有較低的生產(chǎn)成本；本發(fā)明的另一目的是提供制備上述氮化金屬陶瓷的方法，采取優(yōu)化材料成分、改進(jìn)氮化處理工藝、形成梯度結(jié)構(gòu)的手段使此類材料在保持原有優(yōu)越性的基礎(chǔ)上，表面硬度提高，芯部具有較高韌性。
本發(fā)明的一種高溫高壓氮化金屬陶瓷，其基體由硬質(zhì)相和粘結(jié)相組成，其特征在于硬質(zhì)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)或這些硬質(zhì)相的預(yù)制合金粉末，它們形成兩相四組分碳氮化物；粘結(jié)相包括Ni和燒結(jié)時(shí)來自硬質(zhì)相的元素；其成分重量比為29≤TiC≤45，8≤TiN≤12，28≤Ni≤32，11≤Mo≤15，7≤WC≤10，0.5≤C≤1，0.5≤NbC≤1，該金屬陶瓷的金相組織在掃描電子顯微鏡下可觀察到包括黑色芯相、白色芯相、灰色環(huán)形相和白色粘結(jié)相。
所述的高溫高壓氮化金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)將所述重量配比的TiC與TiN粉末混合，用機(jī)械合金化制備包括納米級(jí)的Ti(C，N)固溶體的混合物，再將其與所述重量配比的WC、NbC、Mo、Ni、C粉一起配制成符合最終重量比例的混合料；(2)加入成型劑，壓制成型，脫脂；(3)經(jīng)真空燒結(jié)和高溫高壓氮化處理而成。
所述的高溫高壓氮化金屬陶瓷的制備方法，其進(jìn)一步的特征為(1)機(jī)械合金化在球磨機(jī)中進(jìn)行；(2)所加入成型劑為聚乙烯醇；(3)脫脂工序在真空爐中進(jìn)行；(4)高溫高壓氮化處理在氮?dú)庵羞M(jìn)行。
所述的高溫高壓氮化金屬陶瓷的制備方法，其更進(jìn)一步特征為(1)機(jī)械合金化過程所用轉(zhuǎn)速為240-350rpm，時(shí)間為96-132h；
(2)成型劑加入比例為混合料的4wt％-8wt％，壓制成型所用壓力為160-300Mpa；(3)脫脂工序在真空度高于5Pa的條件下進(jìn)行，在450-600℃之間保溫6-10h；(4)真空燒結(jié)的真空度高于1.0×10-1Pa，燒結(jié)溫度為1410-1430℃，保溫時(shí)間為50-90min；(5)高溫高壓氮化處理過程中所用氮?dú)鈮毫?0-130Mpa，處理溫度1100-1300℃，時(shí)間為60-120min。
對(duì)材料進(jìn)行表面處理可消除表面裂紋、降低表面剛度、增加裂紋擴(kuò)展能和在表面區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)殘余壓應(yīng)力等作用，對(duì)刀具材料進(jìn)行表面處理可顯著提高切削加工性能。在保持Ti(C，N)基金屬陶瓷優(yōu)越性的前提下，對(duì)其進(jìn)行高溫高壓氮化處理，可有效消除材料制備過程中產(chǎn)生的裂紋，使產(chǎn)品的成品率提高，獲得表面為金黃色的TiN，從表層至心部材料成分、性能呈梯度分布的梯度材料，而且由于NbC的加入，使金屬陶瓷的晶粒保持細(xì)小，所獲得的氮化金屬陶瓷刀具綜合性能優(yōu)異。
高溫高壓氮化Ti(C，N)基金屬陶瓷與涂層硬質(zhì)合金相比，它在以下方面具有明顯的優(yōu)勢有較高的切削速度；被加工工件有較好的表面性能；耐磨性能更高；其梯度結(jié)構(gòu)使各項(xiàng)性能從材料表面至心部過渡平緩，沒有明顯的界面，這樣就不存在界面結(jié)合強(qiáng)度和涂層剝落問題；節(jié)約價(jià)格昂貴的WC、Co資源，在達(dá)到與涂層硬質(zhì)合金相同性能的條件下，具有較低的生產(chǎn)成本。因此，高溫高壓氮化Ti(C，N)基金屬陶瓷可以填補(bǔ)國內(nèi)刀具市場上高性能刀具的空白，其應(yīng)用領(lǐng)域還可以擴(kuò)展到模具市場。
本發(fā)明的高溫高壓氮化Ti(C，N)基金屬陶瓷，其HV≥2000，σbb≥1800MPa，不但具有較高的硬度、耐磨性、紅硬性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、與金屬間極低的摩擦系數(shù)、較強(qiáng)的抗冷焊磨損能力等優(yōu)點(diǎn)外，其表面高硬度與心部高韌性使其具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，作為刀具不但可以在震動(dòng)不大的先進(jìn)機(jī)床上運(yùn)用，還可以用于國內(nèi)普通的機(jī)床，與相同硬度的硬質(zhì)合金相比，其可以允許進(jìn)刀量提高2-4倍，切削速度提高2倍以上。由于強(qiáng)韌性比較優(yōu)越，其還可用來作拉絲模、壓制模等模具。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)效果。
表1是4種成分配方的混合料，分別采用不同的工藝參數(shù)將其制備成金屬陶瓷，并分別測定其主要性能硬度和抗彎強(qiáng)度。
表14種混合料的成分重量配比成分TiCTiNWCNiMoNbCC1# 29 12 1032151 12# 33 11 9 31141 13# 38 10 8 3013 0.50.54# 45 8 7 2811 0.50.5實(shí)施例1機(jī)械合金化過程所用轉(zhuǎn)速為280rpm，時(shí)間為98h；成型劑聚乙烯醇的加入量為4wt％，壓制成型所用壓力為200Mpa；脫脂工序在真空度高于5Pa的條件下進(jìn)行，保溫溫度為600℃，保溫時(shí)間為10h。
真空燒結(jié)的真空度高于1.0×10-1Pa，燒結(jié)溫度為1410℃，保溫時(shí)間為50min；氮化處理的氮?dú)鈮毫?00MPa，處理溫度為1300℃，保溫時(shí)間為120min。
在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表2。
表2采用工藝1制備出的不同金屬陶瓷的性能成分 1# 2# 3# 4#抗彎強(qiáng)度σbb(MPa) 1802192719111925硬度(HV)2102201219892023實(shí)施例2機(jī)械合金化過程所用轉(zhuǎn)速為310rpm，時(shí)間為120h；成型劑聚乙烯醇的加入量為6wt％，壓制成型所用壓力為220Mpa；脫脂工序在真空度高于5Pa的條件下進(jìn)行，保溫溫度為500℃，保溫時(shí)間為6h。
真空燒結(jié)的真空度高于1.0×10-1Pa，燒結(jié)溫度為1415℃，保溫時(shí)間為60min；氮化處理的氮?dú)鈮毫?20MPa，處理溫度為1100℃，保溫時(shí)間為120min。
在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表3。
表3采用工藝2制備出的不同金屬陶瓷的性能成分1# 2# 3# 4#抗彎強(qiáng)度σbb(MPa) 1876196819931976硬度(HV) 2100204520022040實(shí)施例3機(jī)械合金化過程所用轉(zhuǎn)速為350rpm，時(shí)間為122h；成型劑聚乙烯醇的加入量為8wt％，壓制成型所用壓力為280Mpa；脫脂工序在真空度高于5Pa的條件下進(jìn)行，保溫溫度為450℃，保溫時(shí)間為8h。
真空燒結(jié)的真空度高于1.0×10-1Pa，燒結(jié)溫度為1420℃，保溫時(shí)間為70min；氮化處理的氮?dú)鈮毫?30MPa，處理溫度為1200℃，保溫時(shí)間為120min。
在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表4。
表4采用工藝3制備出的不同金屬陶瓷的性能成分 1# 2# 3# 4#抗彎強(qiáng)度σbb(MPa) 1797187819861959硬度(HV) 2109202120012042實(shí)施例4機(jī)械合金化過程所用轉(zhuǎn)速為280rpm，時(shí)間為98h；成型劑聚乙烯醇的加入量為4wt％，壓制成型所用壓力為200Mpa；脫脂工序在真空度高于5Pa的條件下進(jìn)行，保溫溫度為600℃，保溫時(shí)間為10h。
真空燒結(jié)的真空度高于1.0×10-1Pa，燒結(jié)溫度為1430℃，保溫時(shí)間為90min；氮化處理的氮?dú)鈮毫?10MPa，處理溫度為1300℃，保溫時(shí)間為60min。
在上述制備工藝條件下，不同成分配比的金屬陶瓷的性能見表5。
表5采用工藝4制備出的不同金屬陶瓷的性能成分 1# 2# 3# 4#抗彎強(qiáng)度σbb(MPa) 1832198719781909硬度(HV)210220791998207權(quán)利要求
1.一種高溫高壓氮化金屬陶瓷，其基體由硬質(zhì)相和粘結(jié)相組成，其特征在于硬質(zhì)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)或這些硬質(zhì)相的預(yù)制合金粉末，它們形成兩相四組分碳氮化物；粘結(jié)相包括Ni和燒結(jié)時(shí)來自硬質(zhì)相的元素；其成分重量比為29≤TiC≤45，8≤TiN≤12，28≤Ni≤32，11≤Mo≤15，7≤WC≤10，0.5≤C≤1，0.5≤NbC≤1，該金屬陶瓷的金相組織在掃描電子顯微鏡下可觀察到包括黑色芯相、白色芯相、灰色環(huán)形相和白色粘結(jié)相。
2.權(quán)利要求1所述的高溫高壓氮化金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)將所述重量配比的TiC與TiN粉末混合，用機(jī)械合金化制備包括納米級(jí)的Ti(C，N)固溶體的混合物，再將其與所述重量配比的WC、NbC、Mo、Ni、C粉一起配制成符合最終重量比例的混合料；(2)加入成型劑，壓制成型，脫脂；(3)經(jīng)真空燒結(jié)和高溫高壓氮化處理而成。
3.如權(quán)利要求2所述的高溫高壓氮化金屬陶瓷的制備方法，其特征為(1)機(jī)械合金化在球磨機(jī)中進(jìn)行；(2)所加入成型劑為聚乙烯醇；(3)脫脂工序在真空爐中進(jìn)行；(4)高溫高壓氮化處理在氮?dú)庵羞M(jìn)行。
4.如權(quán)利要求3所述的高溫高壓氮化金屬陶瓷的制備方法，其特征為(1)機(jī)械合金化過程所用轉(zhuǎn)速為240-350rpm，時(shí)間為96-132h；(2)成型劑加入比例為混合料的4wt％-8wt％，壓制成型所用壓力為160-300Mpa；(3)脫脂工序在真空度高于5Pa的條件下進(jìn)行，在450-600℃之間保溫6-10h；(4)真空燒結(jié)的真空度高于1.0×10-1Pa，燒結(jié)溫度為1410-1430℃，保溫時(shí)間為50-90min；(5)高溫高壓氮化處理過程中所用氮?dú)鈮毫?0-130Mpa，處理溫度1100-1300℃，時(shí)間為60-120min。
全文摘要
氮化金屬陶瓷及其制備方法，屬于陶瓷材料及其制備方法。采取優(yōu)化材料成分、改進(jìn)氮化處理工藝、形成梯度結(jié)構(gòu)的手段進(jìn)一步提高其表面硬度和心部韌性，該金屬陶瓷的成分為29≤TiC≤45，8≤TiN≤12，28≤Ni≤32，11≤Mo≤15，7≤WC≤10，0.5≤C≤1，0.5≤NbC≤1。其制備工藝為將TiC與TiN粉末混合，通過機(jī)械合金化制備包括納米級(jí)的Ti(C，N)固溶體的混合物，再將其與WC、NbC、Mo、Ni、C粉一起配制成符合上述成分的混合料，加入成型劑、壓制成型；脫脂；燒結(jié)；高溫高壓氮化處理。所述材料具有高硬度，高抗彎強(qiáng)度，HV≥2000，σ
文檔編號(hào)C04B35/622GK1603280SQ20041006102
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者熊惟皓, 崔崑, 鄭立允, 鄭勇, 劉文俊, 余立新, 晏鮮梅, 范疇, 肖建華 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)