功能梯度纳米复合Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法

摘要

一种功能梯度纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法，属于金属基复合材料及其制备方法。该金属陶瓷成份重量百分比为：Ti为34～45％，C为8.0～9.5％，Ni为20～30％，Mo为12～22％，N为2.5～3.5％，W为5～8％，Cr为0.6～2.0％，V为0.2～1.0％。该金属陶瓷的制备工艺依次如下：将TiC、TiN、WC、Ni、Mo、VC、Cr3C2、C粉末(其中10－30％的TiC和TiN粉末采用纳米粉，其余所有的粉末均为微米粉)一起配制成符合上述成份的混合料，然后经混料、添加成型剂、压制成型、脱脂、真空烧结得到烧结体。再将该烧结体置于0.08－6MPa的氮气气氛中，在1100－1250℃下进行氮化处理。所述材料具有高的抗弯强度、表面具有高的硬度：HRA≥92.0，σb≥2100MPa。可用于刀具、拉丝模、压制模等。

说明书

一、技术领域

本发明属于陶瓷材料及其制备方法，涉及功能梯度纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法。

二、背景技术

Ti(C，N)基金属陶瓷不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性，而且还具有优良的化学稳定性，与金属间的摩擦系数也很低。如用作刀具，与常用的硬质合金相比，它在以下几个方面有明显的优势：可以允许有较高的切削速度和较大的进刀量，被加工件有较好的表面性能，刀具的耐磨性能更高。在日本，其在工具市场的占有量逐年升高。目前日本市场的主要牌号见表1。我国八五期间有关部门也投入大量力量并已研制出一些牌号的Ti(C，N)基金属陶刀具，但性能不稳定，与国外的材料相比，其强度偏低，再加上中国机械工业落后，机床的性能差，在较高的转速条件下，震动很大，因而这些牌号的金属陶瓷刀具至今基本上没有得到实际运用。表2为中国市场上正在试用的几种金属陶瓷的牌号和性能。因此，有必要对此种材料进行进一步的研究和开发，使其在具有很高的硬度、耐磨性、红硬性等优良性能的同时，也具有很高的强度。只有这样，才有可能使此种材料在国内刀具市场上得到运用，并将其应用领域扩展到模具市场。为进一步提高材料的性能，目前常用的方法是优化材料的成分、改进烧结工艺、细化晶粒。

                表1日本市场上常用的金属陶瓷的牌号和性能

  牌号  N302  N308  N310 N350  主要性能  高耐磨性  高韧性  更高韧性 更高韧性  组成  TiCN-WC-TaC  TiCN-WC-TaC  TiCN-WC-TaC (Ti，W，Ta)CN 系  硬度HRA  93.0~94.0  91.0~92.0  91.0~92.0 91.5~92.5  抗弯强度  /MPa  1200~1400  1600~1800  1700~1900 1700~1900  比重  6.4  7.0  7.0 7.0

        表2中国市场上正在试用的几种金属陶瓷的牌号和性能

  牌号  TN05  TN10  TN20  TN30  主要性能  高耐磨性  与TN05性能  类似，韧性提  高  韧性，耐磨  性等较好  韧性，耐磨  性等较好  硬度  ≥93  ≥92.5  ≥91.5  ≥90.5  抗弯强度  1000  1200  ≥1400  ≥1550  比重  ≥6.2  ≥6.5  ≥6.8  ≥6.8

另外尽管在研制细晶粒的金属陶瓷方面取得了一定的进展，但大量的实验已证实要用目前适合于工业生产的方法制备晶粒尺寸小于0.2μm的金属陶瓷是无能为力的，要想通过制备超细晶粒的金属陶瓷的方法来大幅度地提高此材料的性能是非常困难的。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有技术的现状，提供一种表面具有很高的硬度、耐磨性、红硬性，而心部具有较高强度的功能梯度纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法。为实现本目的，采用加入部分纳米TiC和TiN、优化材料成分、改进真空烧结工艺、在高温氮气环境中进行表面硬化处理的手段使材料的芯部具有较高的强韧性，表面具有较高的硬度。实现这一目的的Ti(C，N)基金属陶瓷，其特点是，在组成成分中，陶瓷相TiC和TiN部分采用纳米粉末，并加入少量的Cr₃C₂和VC。本发明的另一目的是提供上述功能梯度纳米复合金属陶瓷的制备方法，其特点是先配制符合成分要求的混合料，依次经混料、成型、脱脂、真空烧结得到烧结体，然后将该烧结体置于氮气气氛中进行氮化处理。

实现本发明的这种Ti(C，N)基金属陶瓷，其成份重量百分比为：Ti为34～45％，C为8.0～9.5％，Ni为20～30％，Mo为12～22％，N为2.5～3.5％，W为5～8％，Cr为0.6～2.0％，V为0.2～1.0％。

本发明如前所述功能梯度纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)配制符合上述重量百分比的混合料，其中10-30％的TiC和TiN粉末采用纳米粉，其余所有的粉末均为微米粉，

(2)加入成型剂，压制成型，脱脂，

(3)经真空烧结和高温氮化处理而成。

所述功能梯度纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，其进一步的特征为：

(1)混料在球磨机中进行；

(2)所加入成型剂为聚乙烯醇；

(3)脱脂工序、烧结工序在真空炉中进行；

(4)高温氮化处理在氮气气氛下进行。所用设备为压力烧结炉或热等静压炉。

所述的功能梯度纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，其工艺参数可以为：

(1)混料工序在搅拌球磨机中进行，球磨机转速为450-600rpm，时间为12-36h；

(2)成型剂加入的比例为混合料的3wt％-8wt％，压制成型所用的压力为300-400MPa；

(3)脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在400-600℃之间保温6-10h；

(4)真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1400-1470℃，保温时间为40-100min。

(5)表面硬化处理所用氮气纯度≥99.0％，氮气压力为0.08-6MPa，处理温度为1100-1250℃，处理时间为2-24h。

本发明的功能梯度纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷，其表面硬度HRA≥92.0，σ_b≥2100MPa，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等优点，而且其强韧性也很优良，作为刀具不但可以在稳定性好的先进机床上运用，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2-3倍，切削速度提高2倍以上，在高速干式切削正火钢和淬火钢时，其耐用度均提高8倍以上；与涂层硬质合金相比，其成分和显微组织从材料表面至心部过渡平缓，没有明显的界面，不存在因界面结合强度低造成涂层剥落的问题；该金属陶瓷可以节约昂贵的WC、Co等资源，与性能相近的涂层硬质合金相比，其制造成本大大降低。另外，由于综合机械性能比较优越，其还可用来作拉丝模、压制模等模具。

四、具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明的技术效果。

表3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功能梯度纳米复合Ti(C，N)基金属陶瓷，并分别测定其表面硬度和抗弯强度。

                      表34种混合料的成分配比

  成分  Ti  C  Ni  Mo  N  W  Cr  V  1^#  2^#  3^#  4^#  45  41  39  34  9.0  8.5  8.0  9.5  20  24  30  22  15  16  13  22  3.5  3.1  2.7  2.5  5  6.2  6  8  2.0  1.0  0.6  1.0  0.5  0.2  0.7  1.0

实施例1：

配制混合料时，其中10％的TiC和TiN粉末采用纳米粉，其余所有的粉末均为微米粉；

混料工序中球磨机转速为450rpm，时间为36h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为3wt％，压制成型所用的压力为400MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，保温温度为400℃，保温时间为10h；真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1400℃，保温时间为100min；

表面硬化处理所用氮气纯度≥99.0％，氮气压力为0.08MPa，处理温度为1250℃，处理时间为24h。

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1制备出的不同金属陶瓷的性能

  成分  1^#  2^#  3^#  4^#  抗弯强度σb(MPa)  硬度(HRA)  2112  92.5  2133  92.8  2184  92.1  2278  92.2

实施例2：

配制混合料时，其中15％的TiC和TiN粉末采用纳米粉，其余所有的粉末均为微米粉；

混料工序中球磨机转速为550rpm，时间为24h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为5wt％，压制成型所用的压力为300MPa；脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，保温温度为500℃，保温时间为8h；真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1430℃，保温时间为70min；

表面硬化处理所用氮气纯度≥99.0％，氮气压力为0.1MPa，处理温度为1200℃，处理时间为24h。

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1制备出的不同金属陶瓷的性能

  成分  1^#  2^#  3^#  4^#  抗弯强度σb(MPa)  硬度(HRA)  2121  93.4  2189  92.9  2267  92.5  2298  92.3

实施例3：

配制混合料时，其中20％的TiC和TiN粉末采用纳米粉，其余所有的粉末均为微米粉；

混料工序中球磨机转速为600rpm，时间为12h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为8wt％，压制成型所用的压力为300MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，保温温度为600℃，保温时间为8h；真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1450℃，保温时间为50min；

表面硬化处理所用氮气纯度≥99.0％，氮气压力为3.0MPa，处理温度为1150℃，处理时间为6h。

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6。

         表6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σb(MPa)  硬度(HRA)  2217  93.8  2242  92.6  2337  92.8  2331  93.1

实施例4：

配制混合料时，其中30％的TiC和TiN粉末采用纳米粉，其余所有的粉末均为微米粉；

混料工序中球磨机转速为500rpm，时间为20h；

成型剂聚乙烯醇的加入量为5wt％，压制成型所用的压力为320MPa；

脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，保温温度为600℃，保温时间为6h；真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1470℃，保温时间为40min；

表面硬化处理所用氮气纯度≥99.0％，氮气压力为6MPa，处理温度为1100℃，处理时间为4h。

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7。

          表7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σb(MPa)  硬度(HRA)  2124  92.5  2161  92.6  2214  92.3  2227  92.0