一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法 |
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| 申请号 | CN201710733166.8 | 申请日 | 2017-08-24 | 公开(公告)号 | CN107523710A | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
| 申请人 | 台州学院; | 发明人 | 方一航; 赵先锐; 张梦贤; 许辉; 陈基根; 张平; 薛双喜; 王天乐; 冯尚申; 吴建波; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种抗高温 氧 化的晶须改性Ti(C,N)基复 合金 属陶瓷制备方法，属于高速 切削刀具 材料领域。本发明的晶须改性Ti(C,N)基复合 金属陶瓷 制备方法，经过原料组配、球磨混料、烘料、 真空 热压 烧结 等步骤。本发明的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷，其组分重量百分比为：Ti(C0.5N0.5):45～60％，Al2O3晶须或ZrO2晶须:10～25％，WC:8～15％，Co:5～10％，Mo2C:5～10％，Ni:5～10％。本发明制备出的Ti(C,N)基复合金属陶瓷，不仅具有良好的致密性，而且还具有高强韧性和抗高温氧化性，可作为特殊 钢 材的(半)精加工的切削刀具材料。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法 技术领域背景技术[0002] Ti(C,N)基金属陶瓷就是以碳氮化钛Ti(C,N)为硬质相，以镍(Ni)、钼(Mo)、碳化钨(WC) 为金属粘结相，通过粉末压制烧结的合金。Ni可以提髙合金的强度，Mo能够改善液态金属Ni对Ti(C,N)的润湿性。金属陶瓷正如其名称表达的一样，既有陶瓷所具有的耐磨损、耐高温、高强度、高硬度、抗氧化和化学稳定性的特性，又兼有金属的韧性和可塑性，从而适用于制造切削刀具、模具以及耐磨件。如果涂一层气密性好、熔点高、而传热性能又很差的陶瓷涂层在金属表面，就能有效的防止金属或合金在高温下氧化和腐蚀。Ti(C,N)基金属陶瓷的主要性能特点如下：(1)高硬度。金属陶瓷的硬度一般可达91～94HRA；(2)抗弯强度好。抗弯强度要比陶瓷刀具好，略低于WC基硬质合金。(3)高耐磨性。耐磨性是YT类硬质合金刀具材料的1～2倍。(4)较高的抗氧化能力。主要由于Ti(C,N)的氧化温度比WC高得多。 (5)较高的耐热性。金属陶瓷刀具在1100～1300℃髙温下还能正常进行切削。(6)化学稳定性好。 Ti(C,N)与工件材料的亲和力比WC小得多。(7)摩擦系数小。Ti(C,N)基合金刀具在切削时，会在刀具与切屑和工件的接触面上形成氧化钛、三氧化二钼和镍钼酸盐薄膜，它们都会起到干润滑剂的作用，从而减少磨擦系数。(8)抗热能力强，不易黏刀和产生积屑瘤。 [0003] 目前，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具已经得到世界各国广泛深入的研究。据日本超硬工具协会统计，2008年，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具已占硬质刀具市场的33％以上，而且仍呈增长趋势。而我国金属陶瓷基材料仅占硬质材料市场容量的9％左右。由此可见，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具在我国具有广阔的市场前景。 [0004] 但是，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的主要问题仍然是强韧度不足，限制了其应用。为解决这个问题，一般采用添加高含量镍、钼、钴和碳化物等金属作为烧结助剂，来使Ti(C,N)基金属陶瓷材料获得高密度，进而获得高强韧性。但是大量金属的引用会导致陶瓷体的硬度和韧性等机械性能明显下降，无法使Ti(C,N)基金属陶瓷同时兼具良好的烧结致密性和强韧性等机械性能。 [0005] 晶须是由纯度较高的单晶生长而成的微纳米级的棒状纤维，其直径非常小，没有常规材料中存在的缺陷如晶界、位错和空穴等，并且原子排列高度有序，所以它的强度接近于完整晶粒的理论值，因此晶须有优良的力学性能：机械强度高、弹性模量高、强度高、硬度高等性能。由于晶须的上述特性，因此将它作为新兴复合材料的补强增韧添加剂，已成功应用于航空航天、合金、陶瓷、塑料等领域，用以改善陶瓷基、金属基、聚合物基等材料的强塑性。在中国专利号ZL200710034792.4，授权公告日为2009年9月30日，发明创造名称为：SiC 晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片及其制备方法的申请案中，采用SiC晶须作为增韧剂，使碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片具有高强度、高韧性和更好的耐磨性。在中国专利号 ZL200810048655.0，授权公告日为2010年6月2日，发明创造名称为：一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法的申请案中，采用镀镍SiC晶须作为增韧相，提高了金属陶瓷刀具的高温红硬性、耐磨性和抗冲击韧性。在中国专利号ZL201410289095.3，授权公告日为2016年8 月24日，发明创造名称为：一种TiC晶须增强金属陶瓷及其制备方法的申请案中，采用TiC 晶须增强金属陶瓷，提高了现有Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性。在上述专利申请案中，均采用了晶须来作为Ti(C,N)基金属陶瓷的增韧相，提高了金属陶瓷材料的强韧度。 但是，在高温切削过程中，SiC晶须和TiC晶须的化学稳定性欠佳，高温度下易于工件中的 Fe和空气中的O2发生反应，从而导致刀具的强度和硬度等性能降低。 发明内容[0006] 1.发明要解决的技术问题 [0007] 本发明的目的在于克服现有晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷存在的上述不足，提供一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，采用本发明的技术方案，制作出的刀具材料不仅具有良好的致密性，而且还具有高强韧性和抗高温氧化性，可作为特殊钢材的(半) 精加工的切削刀具材料。 [0008] 2.技术方案 [0009] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为： [0010] 本发明的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，包括以下步骤： [0011] (1)进行原料配比，原料中各组分的百分比为：Ti(C0.5N0.5):45～60％，Al2O3晶须或ZrO2晶须:10～25％，WC:8～15％，Co:5～10％，Mo2C:5～10％，Ni:5～10％； [0013] (3)将上述得到的混料料浆在干燥设备中干燥； [0015] (5)将预压后的复合金属陶瓷材料生坯置于热压炉中热压烧结，真空度≤1.0Pa，炉温从0～1000℃开始以5～20℃/min加热至1600～1700℃，压力加至30～50MPa，并保温1～2h，后随炉冷却取出试样。 [0016] 通过原料成分合理配比和热压烧结工艺控制Ti(C,N)基复合金属陶瓷材料的致密性和晶粒大小，进而获得良好致密性和高强韧性的复合金属陶瓷材料。通过Al2O3或ZrO2晶须的负荷传递、拔出效应、界面解离以及晶须断裂、裂纹偏转等作用以及Ti(C,N)形成的“核-壳”结构，综合提高复合金属陶瓷刀具材料的强韧性和抗高温氧化性。 [0017] 在上述的抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法中，作为优选，步骤(1) 中所述原料中加入的晶须为高强度Al2O3晶须或ZrO2晶须，晶须直径在50～300nm之间，长径比在1:8～1:15之间。这种直径和长径比范围的Al2O3晶须或ZrO2晶须，不仅具有耐高温、抗磨损、耐腐蚀、高韧性、高强度，而且在复合材料中能提供晶须增韧机理，提高材料的强韧性。 [0018] 在上述的抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法中，作为优选，步骤(2) 中将所述反应原料盛入球磨罐中，按原料与无水乙醇的比值1:0.8～1:1加入无水乙醇，按原料与球的比值1:8～1:10加入硬质合金球，将混合的物料在罐式球磨机上球磨，转速为300r/min，在球磨机上混料24～48h。 [0019] 在上述的抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法中，作为优选，步骤(4) 中对所述干燥研磨后的原料进行喷雾造粒后再进行过筛处理。 [0020] 在上述的抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法中，作为优选，步骤(5) 中所述升温速率各温度阶段不同：0～1000℃为10～20℃/min，1000～1500℃为5～10℃/min， 1500～1700℃为5～8℃/min；升温时压力各温度阶段不同：0～1000℃为10MPa，1000～1500℃为30MPa，1500～1700℃为50MPa。降温速率各温度阶段不同：1700～ 1000℃为15～20℃/min， 1000℃以下随炉冷却；降温时压力各温度阶段不同：1500～1700℃为50MPa，1000～1500℃为 30MPa，0～1000℃为10MPa。采用真空热压烧结工艺，依靠外加的压力和能量使复合金属陶瓷材料在较低的温度及较短时间内达到致密化，而且通过热压过程中保持较高的真空度，能够进一步有效地降低复合金属陶瓷材料的烧结温度并高效排除微小气孔中的气体，并达到控制晶体长大的作用，从而进一步获得良好致密性的Ti(C,N)基复合金属陶瓷材料。 [0021] 3.有益效果 [0022] 采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果： [0023] (1)本发明的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，能制备获得结构均匀、良好致密性的Ti(C,N)基复合金属陶瓷材料；对材料进行扫描电子显微镜(SEM) 分析，可以发现本发明所得材料具有Ti(C,N)基“核-壳”结构，致密且结构分布均匀。 [0024] (2)本发明的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，制备的材料硬度达到1850～1950HV，断裂韧性达到7～9MPa·m1/2，抗弯强度达到950～1150MPa，因此具有极高的强韧性；同时采用Al2O3晶须或ZrO2晶须作为增韧相，相比于SiC晶须和TiC晶须，抗高温氧化性更强，可用于高速高温切割刀具材料使用。 [0025] (3)本发明的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，具有良好的致密性、高强韧性，金属切削时具有较高的耐磨性和对钢的摩擦系数小，可用于特殊钢材的(半)精加工。附图说明 [0026] 图1是本发明实施例1晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷材料的扫描电子显微镜(SEM) 照片； [0027] 图2是本发明实施例2晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷材料的扫描电子显微镜(SEM) 照片。 具体实施方式[0028] 为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是这些实施例仅用于对本发明进行说明而非限制本发明的范围。 [0029] 实施例1 [0030] 本实施例的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，包括以下步骤： [0031] (1)分别取Ti(C0.5N0.5):60g，ZrO2晶须:10g，WC:15g，Co:5g，Mo2C:5g，Ni:5g，置于球磨罐中，加入800g的硬质合金球和100ml的无水乙醇；在罐式球磨机上控制转速为300r/min 球磨24h后倒出置于85±5℃烘箱中烘干，将干燥的粉体研磨后喷雾造粒，并过200目的筛子后待用。上述的ZrO2晶须选取高强度ZrO2晶须，晶须直径在50～300nm之间，长径比在 1:8～1:15之间。 [0032] (2)根据刀具形状取上述适量粉体置于合金磨具中干压200MPa，后置于真空热压炉中烧结，真空度≤1.0Pa。烧结工艺为：升温工艺为0～1000℃为20℃/min，10MPa；1000～1500℃为10℃/min，30MPa；1500～1650℃为8℃/min，50MPa；1650℃保温1h；降温工艺为 1500～1650℃为15℃/min，50MPa；1000～1500℃为15℃/min，30MPa；1000℃以下随炉冷却， 10MPa。 [0033] (3)将真空热压烧结制备的样品进行力学性能测试：维氏硬度为1936HV；抗弯强度为 1034MPa；断裂韧性为7.5MPa·m1/2。将真空热压烧结制备的样品在扫描电子显微镜(SEM) 下观察，如图1所示，发现所得材料具有Ti(C,N)基“核-壳”结构，致密且结构分布均匀。 [0034] 实施例2 [0035] 本实施例的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，包括以下步骤： [0036] (1)分别取Ti(C0.5N0.5):55g，ZrO2晶须:15g，WC:10g，Co:8g，Mo2C:5g，Ni:7g，置于球磨罐中，加入800g的硬质合金球和100ml的无水乙醇；在罐式球磨机上控制转速为300r/min 球磨24h后倒出置于85℃烘箱中烘干，将干燥的粉体研磨后喷雾造粒，并过100目的筛子后待用。上述的ZrO2晶须选取高强度ZrO2晶须，晶须直径在50～300nm之间，长径比在1:8～1:15 之间。 [0037] (2)根据刀具形状取上述适量粉体置于合金磨具中干压200MPa，后置于真空热压炉中烧结，真空度≤1.0Pa。烧结工艺为：升温工艺为0～1000℃为10℃/min，15MPa；1000～1500℃为8℃/min，35MPa；1500～1700℃为5℃/min，50MPa；1700℃保温1.5h；降温工艺为 1500～1700℃为20℃/min，50MPa；1000～1500℃为20℃/min，25MPa；1000℃以下为随炉冷却，10MPa。 [0038] (3)将真空热压烧结制备的样品进行力学性能测试：维氏硬度为1889HV；抗弯强度为 1089MPa；断裂韧性为8.2MPa·m1/2。将真空热压烧结制备的样品在扫描电子显微镜(SEM) 下观察，如图2所示，发现所得材料具有Ti(C,N)基“核-壳”结构，致密且结构分布均匀。 [0039] 实施例3 [0040] 本实施例的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，包括以下步骤： [0041] (1)分别取Ti(C0.5N0.5):60g，Al2O3晶须:10g，WC:15g，Co:5g，Mo2C:5g，Ni:5g，置于球磨罐中，加入800g的硬质合金球和100ml的无水乙醇；在罐式球磨机上控制转速为300 r/min球磨24h后倒出置于85℃烘箱中烘干，将干燥的粉体研磨后喷雾造粒，并过100目的筛子后待用。上述的Al2O3晶须选取高强度Al2O3晶须，晶须直径在50～300nm之间，长径比在1:8～1:15之间。 [0042] (2)根据刀具形状取上述适量粉体置于合金磨具中干压220MPa，后置于真空烧结炉中烧结，真空度≤1.0Pa。烧结工艺为：升温工艺为0～1000℃为15℃/min，10MPa；1000～1500℃为10℃/min，30MPa；1500～1625℃为5℃/min，50MPa；1625℃保温1.5h；降温工艺为 1000～1625℃为20℃/min，50MPa；1000℃以下为随炉冷却，10MPa。 [0043] (3)将真空热压烧结制备的样品进行力学性能测试：维氏硬度为1915HV；抗弯强度为 987MPa；断裂韧性为7.0MPa·m1/2。将真空热压烧结制备的样品在扫描电子显微镜(SEM) 下观察，发现所得材料具有Ti(C,N)基“核-壳”结构，致密且结构分布均匀。 [0044] 实施例4 [0045] 本实施例的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，包括以下步骤： [0046] (1)分别取Ti(C0.5N0.5):50g，Al2O3晶须:20g，WC:12g，Co:6g，Mo2C:6g，Ni6:g，置于球磨罐中，加入800g的硬质合金球和100ml的无水乙醇；在罐式球磨机上控制转速为300 r/min球磨24h后倒出置于烘箱中烘干，将干燥的粉体研磨后喷雾造粒，并过100目的筛子后待用。上述的Al2O3晶须选取高强度Al2O3晶须，晶须直径在50～300nm之间，长径比在1:8～1:15 之间。 [0047] (2)根据刀具形状取上述适量粉体置于合金磨具中干压220MPa，后置于真空热压炉中烧结，真空度≤1.0Pa。烧结工艺为：升温工艺为0～1000℃为10℃/min，10MPa；1000～1500℃为8℃/min，30MPa；1500～1675℃为5℃/min，50MPa；1675℃保温1h；降温工艺为1000～1675℃为20℃/min，30MPa；1000℃以下为随炉冷却，10MPa。 [0048] (3)将真空热压烧结制备的样品进行力学性能测试：维氏硬度为1874HV；抗弯强度为 1037MPa；断裂韧性为7.6MPa·m1/2。将真空热压烧结制备的样品在扫描电子显微镜(SEM) 下观察，发现所得材料具有Ti(C,N)基“核-壳”结构，致密且结构分布均匀。 [0049] 本发明的一种抗高温氧化的晶须改性Ti(C,N)基复合金属陶瓷制备方法，通过原料成分合理配比和热压烧结工艺控制Ti(C,N)基复合金属陶瓷材料的致密性和晶粒大小，进而获得良好致密性和高强韧性的复合金属陶瓷材料。通过Al2O3或ZrO2晶须的负荷传递、拔出效应、界面解离以及晶须断裂、裂纹偏转等作用以及Ti(C,N)形成的“核-壳”结构，综合提高复合金属陶瓷刀具材料的强韧性和抗高温氧化性，制作出的刀具材料具有良好的致密性，可作为特殊钢材的(半)精加工的切削刀具材料。 [0050] 以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，实际的方法并不局限于此。尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。 |
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