專利名稱：一種超細(xì)晶Ti(C,N)基金屬陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為超細(xì)晶陶瓷材料及其制造方法，特別涉及超細(xì)晶Ti (C，N)基金屬陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
Ti (C,N)基金屬陶瓷是誕生于二十世紀(jì)七十年代的一種新型金屬陶瓷材料。它具有密度低，化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好、對(duì)鋼的磨擦系數(shù)小，并且硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金等優(yōu)點(diǎn)。Ti (C，N)基金屬陶瓷用作刀具材料，適合于鑄鐵、普通鋼、高硬度鋼的高速切削和干式切削，使用性能尤其在精加工、半精加工方面優(yōu)于硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金刀具，因而各國(guó)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)近年來(lái)在Ti (C，N)基金屬陶瓷的研究方面作了許多工作。中國(guó)專利CN88107079. 3(
公開(kāi)日為1985年5月10日)提供一種金屬陶瓷切削刀具，其成份為3· 5彡Ni彡6. 5,4. 5彡Co彡7. 5，20彡W彡25，5彡Mo彡11,0 ^ Ta+Nb彡6，Cr彡0.05，Al彡1.0，￥彡3，其中8彡0)+慰彡11，其余成分為T(mén)i、C和N。該金屬陶瓷材料的原料碳氮化物粉末為T(mén)i (C，N)粉末。其目的是在保持較好耐磨性和刀具使用壽命的基礎(chǔ)上，提供具有較高韌性的刀具。中國(guó)專利CN01133646. 3(
公開(kāi)日為2002年5月1日)中提供一種復(fù)合金屬陶瓷及其制備方法，該發(fā)明中金屬陶瓷成分重量百分比為25 ^ Ti ^ 30,6 ^ C^ 8.5,25 ^ Ni ^ 40,12 ^ Mo ^ 20, 2 ^ N ^ 3, 5 ^ W ^ 10，0. 4 彡 Cr 彡 1. 0。其制備工藝為將單質(zhì)元素Ti、C、Ni、Mo的粉末混合，在Ar氣保護(hù)下，通過(guò)機(jī)械合金化制備包括納米級(jí)TiCx和NiMo固溶體的混合物，再與1111(、(>3(2、(粉末一起配制成符合上述成份的混合物，加入成型劑，壓制成型，在真空度高于5Pa的條件下脫蠟，在真空度高于1. OX 1. O-1Pa的條件下燒結(jié)，在壓力為100- 150MPa，處理溫度1350 1400°C的條件下進(jìn)行熱等靜壓處理。該發(fā)明的目的是提供一種具有較高強(qiáng)度Ob = 2500 ^30MPa)的復(fù)合金屬陶瓷及其制備方法，但其耐磨性較低(HRA = 91. 7 90. 0)。在切削刀具市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一些Ti (C，N)基金屬陶瓷，以國(guó)內(nèi)為例，株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司“八 五”期間已研制出一些牌號(hào)的Ti (C，N)基金屬陶瓷刀具材料，如表1所示；表1株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司的幾種金屬陶瓷刀片的牌號(hào)和性能牌號(hào)YN05TNlOTN20TN30主要性能高耐磨性與YN05性能類(lèi)似，韌性有所提高韌性，耐磨性較好韌性，耐磨性較好組成TiC-Ni- MoTiC(C,N>Ni-Co-MoTiC(C^)-Ni-Co-MoTiC(C,N>Ni-Co- Mo硬度HRA>93.0彡 92.0彡 92.0>91.0抗彎強(qiáng)度MPa^=990>1200彡 13005=1400國(guó)際方面，以日本為例，數(shù)控刀片Ti (C,N)基金屬陶瓷刀具占了約25 30%的市場(chǎng)，其主要牌號(hào)及性能見(jiàn)表2。表2日本市場(chǎng)上主要的金屬陶瓷的牌號(hào)和性能
牌號(hào)N302N308N310N350LNlONITNATT1200A主要性能高耐磨性高韌性更高韌性更高韌性高耐磨性高韌性高韌性高韌性組成Ti(CjN)STi(C5N)STi(C5N)STi(C’N)基Ti(C5N) 基Ti(C,N )基Tl(C5N) 基Ti(C5N) 基硬度 HRA93.0^94.091.0-92.091.0-92.092.5-93.093.092.592.091.7抗彎強(qiáng)度MPa1400-12001800-16001900-17001900-17001700180019002000盡管近些年Ti (C，N)基金屬陶瓷在國(guó)內(nèi)及國(guó)際上都得到了較大的發(fā)展，但存在的主要問(wèn)題是仍然是強(qiáng)韌性不足，并且產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。只有在保持高硬度、高耐磨性的前提下，較大幅度地提高金屬陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的綜合性能，才有可能使Ti (C，N)基金屬陶瓷成為一種很好的切削工具材料，同時(shí)其應(yīng)用領(lǐng)域還可擴(kuò)展到模具市場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的Ti (C，N)基金屬陶瓷材料，在保持高硬度高耐磨性的前提下，較大幅度地提高其強(qiáng)度和韌性，使其既可很好地適用于切削工具材料，又可作為拉絲模、壓制模等模具材料。同時(shí)本發(fā)明還提供該新型Ti (C，N)基金屬陶瓷材料的制備方法。本發(fā)明的Ti(C，N)基金屬陶瓷，其成份重量百分比為30彡Ti彡65，8彡W彡25，0 彡 Ta 彡 15. 0，0 彡 Nb 彡 10，4. 5 彡 Mo 彡 20，3. 5 彡 Ni 彡 15. 0，其中 1. 0 彡 Ta+Nb 彡 20，8 ^ Ni ^ 25，其余成分為C和N。在本發(fā)明中采用兩種不同組元的多元復(fù)式碳氮化物固溶體陶瓷粉末制備金屬陶
5瓷，不添加金屬元素Co，這有別于上述專利所述及市場(chǎng)上的Ti (C，N)基金屬陶瓷。當(dāng)所述金屬陶瓷之一Ni為14. 5 16. 0% Ja為4. 3 8. 3%，Mo為9. 5 13. 5%,W為13.5 18.5% (重量百分比)，其余為T(mén)i、C、N和其它微量金屬元素，本發(fā)明的金屬陶瓷的性能得到進(jìn)一步改進(jìn)。當(dāng)所述金屬陶瓷之一Ni為16. 0 18. 0%，Ta為5. 1 9. 1 %，Mo為9. 0 12. 5%,W為13.5 18.0% (重量百分比)，其余為T(mén)i、C、N和其它微量金屬元素，本發(fā)明的金屬陶瓷的性能也能得到進(jìn)一步改進(jìn)。上述諸技術(shù)方案中Ta、Nb中的雜質(zhì)均不多于為0. 05 (重量百分比)。本發(fā)明的Ti(C，N)基金屬陶瓷材料，具有較高的硬度HRA92.0 94.0、較高的抗彎強(qiáng)度σ b = 2050 ^OOMPa，因此具有除較好的耐磨性、紅硬性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，與金屬間極低的磨擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)之外，其強(qiáng)韌性也很優(yōu)良，既可用于切削金屬和合金的刀具材料，又可用于拉絲模，壓制模等模具材料。本發(fā)明的Ti(C，N)基金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)將滿足最終成分重量百分比的碳氮化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末與金屬粉末混合進(jìn)行濕磨，經(jīng)沉淀干燥，得到混合料；(2)按混合料的8 15% (重量百分比)加入成型劑，混合后進(jìn)行干燥制粒，經(jīng)壓制成型；進(jìn)行脫蠟和燒結(jié)。在所述的金屬陶瓷制備方法中，采用的碳化物陶瓷粉末由Ti、W、Ta、Nb、Mo等碳化物和(或)它們的固溶體碳化物粉末組成，金屬粉末為Ni和(或)Mo粉，碳氮化物陶瓷粉末至少包括兩種不同組元的多元復(fù)式碳氮化物固溶體陶瓷粉末。在所述多元復(fù)式碳氮化物固溶體陶瓷粉末至少含有一種Ti (C，N)粉末和一種Ti、W、Ta、Nb、Mo等的多元復(fù)式碳氮化物固溶體粉末；其中Ti (C，N)粉末中0. 6彡N/(N+C)彡0.80(重量比)；而所述多元復(fù)式碳氮化物固溶體粉末為(Ti, W, Ta, Nb, Mo) (C，N)粉末，其中0. 3彡N/ (N+C)彡0. 6 (重量比)，0. 3彡Ti彡0. 8 (重量比)，0. 1彡W彡0. 3 (重量比)，0. 1 ( TaS 0. 3(重量比)，0. 05 SNb <0. 3(重量比)，0. 05 彡 Mo 彡 0. 3 (重量比)，最優(yōu)為T(mén)i W Ta Nb Mo = 70 10 10 5 5(重量比)；所述多元復(fù)式碳氮化物固溶粉末還可以是為(Ti，W) (C, N), (Ti, W, Ta) (C, N), (Ti, W, Ta, Nb) (C, N)粉末，這些粉末中0.3彡N/(N+C)彡0.6(重量比)，且所述(Ti, W) (C, N)粉末中0. 3彡Ti彡0. 9 (重量比)，0. 1彡W彡0.7(重量比)，最優(yōu)為T(mén)i W = 80 20(重量比)；(Ti，W，Ta) (C，N)粉末中0. 3彡Ti彡0. 8 (重量比)，0. 1彡W彡0. 3 (重量比)，0. 1彡Ta彡0. 3 (重量比)，最優(yōu)為T(mén)i W Ta = 70 20 10(重量比)；(Ti,W,Ta,Nb) (C,N)粉末中 0. 3 彡 Ti 彡 0. 8(重量比)，0· 1彡W彡0.3(重量比)，0. 1彡Ta彡0.3(重量比)，0· 05彡Nb彡0. 3 (重量比)，最好優(yōu)為 Ti W Ta Nb = 70 10 10 10(重量比)。在上述的金屬陶瓷所有制備方法中，所述超細(xì)陶瓷粉末粒度為FSSS< Ιμπι和金屬粉末粒度為=Fsss彡3. 5 μ m。在上述金屬陶瓷的制備方法中，所述成型劑為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯鑲段聚合物或聚乙二醇。所述脫蠟和燒結(jié)是在真空爐中進(jìn)行。其中脫蠟是在真空度高于5Pa的條件下進(jìn)行，在250 350°C之間保溫90 150min，升溫至400 650°C之間保溫90 150min ；燒結(jié)的真空度高于0. lPa，按升溫速度為2 8°C /min，升至1300°C保溫30 50min，再按升溫速度為4 8°C /min,升溫至1400 1500°C保溫30 lOOmin，然后在真空環(huán)境下冷卻。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1 將粒度為0. 5 μ m，且符合最終成分重量百分比的碳氮化物陶瓷[Ti (C，N)和(Ti，W，Ta) (C，N)]粉末與金屬Ni粉末混合球磨48 96小時(shí)，其中Ti (C，N)粉末中N/(N+C) = 0. 7 ； (Ti, W, Ta) (C, N)粉末中 N/(N+C) = 0. 37，Ti/ff/Ta = 70/20/10。本發(fā)明的金屬陶瓷材料Tm的總成份如表3所示，其中Ta+Nb = 6. 6。表3金屬陶瓷材料TNl的總成分表
權(quán)利要求
1.一種超細(xì)晶Ti (C，N)基金屬陶瓷，其總成分重量百分比為30 ^ Ti ^ 65，8 ^ W ^ 25,0 ^ Ta ^ 15. 0,0 ^ Nb ^ 10,4. 5 ^ Mo ^ 20, 3. 5 ^ Ni ^ 15. 0,其中1. 0 ^ Ta+Nb ^ 20,8 ^ Ni ^ 25，其余成分為 C 和 N。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷，其特征是不含金屬Co。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2之一所述的金屬陶瓷，其特征是所述Ni為14.5 16. 0%,Ta為4. 3 8.3%，Mo為9. 5 13. 5%，W為13. 5 18. 5% (重量百分比)，其余為T(mén)i、C、N和其它微量金屬元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的金屬陶瓷，其特征是所述Ta、Nb中的雜質(zhì)均不多于為0.05% (重量百分比)。
5.如權(quán)利要求1-4之一的金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)將滿足最終成分重量百分比的碳氮化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末與金屬粉末混合進(jìn)行濕磨，經(jīng)沉淀干燥，得到混合料；(2)按混合料重量百分比的8 15%加入成型劑，混合后進(jìn)行干燥制粒，經(jīng)壓制成型；(3)真空燒結(jié)爐中進(jìn)行脫蠟和燒結(jié)。
6.權(quán)利要求1-6之一的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述碳化物陶瓷粉末由Ti、W、Ta、Nb、Mo等碳化物和(或)他們的固溶體碳化物粉末組成；所述金屬粉末采用Ni和(或)Mo粉；所述碳氮化物陶瓷粉末至少包括兩種不同組元的多元復(fù)式碳氮化物固溶體陶瓷粉末。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述多元復(fù)式碳氮化物固溶體陶瓷粉末至少含有一種Ti (C，N)粉末和一種Ti、W、Ta、Nb、Mo等的多元復(fù)式碳氮化物固溶體粉末。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于Ti(C，N)粉末中0.6彡N/(N+C) ( 0. 80(重量比)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述多元復(fù)式碳氮化物固溶體粉末為(Ti，W，Ta, Nb, Mo) (C，N)粉末，其中0. 3彡N/(N+C)彡0.6(重量比)，0. 3彡Ti < 0.8(重量比)，0.1彡W彡0. 3(重量比)，0. 1彡Ta彡0. 3 (重量比)，0. 05 ^ Nb ^ 0. 3 (重量比)，0· 05 彡 Mo 彡 0. 3 (重量比)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述多元復(fù)式碳氮化物固溶粉末為(Ti，W) (C，N)、(Ti，W, Ta) (C，N)、(Ti，W, Ta, Nb) (C，N)粉末，這些粉末中0. 3 彡 N/ (N+C)彡 0. 6 (重量比)。
11.根據(jù)權(quán)利要求11所述的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述(Ti，W)(C，N)粉末中0.3彡Ti彡0.9(重量比)，0.1彡W彡0.7(重量比)；(Ti, W, Ta) (C，N)粉末中0. 3彡Ti彡0.8(重量比)，0. 1彡W彡0. 3(重量比)，0. 1彡iTa彡0.3(重量比)；(Ti,W,Ta,Nb) (C, N)粉末中0.3彡Ti彡0.8(重量比)，0. 1彡W彡0. 3(重量比)，0. 1彡Ta彡0. 3 (重量比),0. 05 ^ Nb ^ 0.3(重量比)。
12.根據(jù)權(quán)利要求6至12中任一所述的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述超細(xì)陶瓷粉末粒度為=Fsss ( 1 μ m和金屬粉末粒度為FSSS ( 3. 5 μ m ；所述成型劑為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯鑲段聚合物或聚乙二醇。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬陶瓷的制備方法，所述脫蠟是在真空度高于5Pa的條件下進(jìn)行，在250 350°C之間保溫90 150min ；升溫至400 650°C之間保溫90 150min。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬陶瓷的制備方法，所述真空燒結(jié)的真空度高于0. IPa,燒結(jié)工藝為(1)0 1300°C，升溫速度為 2 8°C /min,至 1300°C保溫 30 50min ；(2)1300 1500°C，升溫速度為 4 8°C /min，至 1400 1500°C保溫 30 IOOmin ；(3)真空環(huán)境下冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超細(xì)晶Ti(C，N)基金屬陶瓷及制備方法，該金屬陶瓷其總組成的重量百分比為30≤Ti≤65，8≤W≤25，0≤Ta≤15.0，0≤Nb≤10，4.5≤Mo≤20，3.5≤Ni≤15.0，其中1.0≤Ta+Nb≤20，8≤Ni≤25，其余成分為C和N。該金屬陶瓷是由超細(xì)兩種或兩種以上不同組元的多元復(fù)式碳氮化物陶瓷粉末，混合超細(xì)Ti、W、Ta、Nb、Mo等的碳化物粉末和(或)它們之間的固溶體碳化物粉末以及金屬Ni、Mo等的粉末，經(jīng)球磨粉碎、壓制、真空脫臘和真空燒結(jié)制備而成。該金屬陶瓷在保持良好的耐磨性的基礎(chǔ)上，具有較高的強(qiáng)度和韌性，可用于切削刀具和拉絲模、壓制模等模具材料。
文檔編號(hào)C22C29/04GK102383019SQ20111031616
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者李海坤 申請(qǐng)人:李海坤