当前位置: 首页 > 专利查询>四川大学专利>正文

一种CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料及其制备方法技术

技术编号:19076297 阅读:253 留言:0更新日期:2018-09-29 18:04
本发明专利技术公开了一种CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料及其制备方法,其中,通过在Ti(C,N)基金属陶瓷中添加石墨烯,利用石墨烯的碳单质属性提高Ti(C,N)基金属陶瓷作为CVD涂层基体时的抗脱碳能力,并且,只加入少量的石墨烯即可提高Ti(C,N)基金属陶瓷作为CVD涂层基体时的抗脱碳能力;同时,利用石墨烯超高的杨氏模量与本征强度提高基体材料的横向断裂强度和硬度,阻碍涂层裂纹的扩展;并且,所述制备方法在真空预烧结以及低压终烧结过程中,严格控制升温速率,进一步提高了材料的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料及其制备方法
本专利技术涉及一种金属陶瓷材料及其制备方法,特别是CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料及其制备方法,属于金属陶瓷材料领域。
技术介绍
Ti(C,N)基金属陶瓷的涂层主要包括化学气相沉积(Chemicalvapordeposition,简称CVD)和物理气相沉积(Physicalvapordeposition,简称PVD)两种方式。CVD涂层相比PVD涂层具有涂层源的制备相对容易、涂层材料种类多、基体结合强度高、耐磨性能好等优点。但是,CVD涂层沉积温度高,通常在1000℃左右。一方面,高温下容易造成基体表面脱碳,在涂层与基体之间易产生一层脆性的脱碳相,比如CVD涂覆TiC涂层,在1000℃时,发生如下的反应:TiCl4+CH4+H2=TiC+4HCl+H2;化学反应过程中生成的TiC沉积在基体的表层,然而,在沉积TiC涂层过程中,伴随着如下反应的进行:TiCl4+C+2H2=TiC+4HCl;因此,反应的结果将导致涂层基体的表面脱碳,从而使涂层与基体之间形成脱碳相(η相),脱碳相使得基体横向断裂强度下降,这会引起涂层刀具脆性破裂;另外一方面,涂层材料通常是陶瓷材料,例如TiC、TiN、TiCN、Al2O3等,由于涂层材料和基体材料的热膨胀系数存在差异,在涂层从高温冷却过程中,不可避免地会形成残余应力,对基体而言是拉应力,应力集中处容易形成裂纹源和微裂纹。涂层刀具切削加工时,外力作用诱发裂纹扩展,当应力超过金属陶瓷基体的断裂强度时,就容易导致刀具崩刃失效。
技术实现思路
为了解决上述问题,本专利技术人进行了锐意研究,通过在Ti(C,N)基金属陶瓷中添加微量石墨烯,利用石墨烯的碳单质属性及石墨烯超高的杨氏模量(1020GPa)与本征强度(130GPa)提高基体材料的表面碳含量及横向断裂强度,阻止涂层过程的脱碳相形成和阻碍涂层裂纹扩展,从而完成本专利技术。本专利技术一方面提供了一种CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,具体体现在以下几个方面:(1)一种CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,所述材料由一种组合物制成,所述组合物包括Ti(C,N)、Co、Ni、WC、Mo2C和石墨烯。(2)根据上述(1)所述的CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,其中,所述组合物中组分的重量百分配比如下:(3)根据上述(1)或(2)所述的CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,其中,所述组合物中组分的重量百分配比如下:(4)根据上述(1)至(3)之一所述的CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,其中,在所述组合物中,Co的粒度为0.6~1.8μm,WC的粒度为0.6~1.8μm,Mo2C的粒度为0.8~3.5μm,Ti(C,N)的粒度为0.8~4.0μm;优选地,在所述组合物中,Co的粒度为0.8~1.5μm,WC的粒度为0.8~1.5μm,Mo2C的粒度为1.0~3.0μm,Ti(C,N)的粒度为1.0~3.5μm。(5)根据上述(1)至(4)之一所述的CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,其中,所述石墨烯为改性石墨烯,优选为聚山梨酯-80改性石墨烯;和/或在Ti(C,N)粉末中,C原子与N原子的摩尔比为(6~8):3,优选为7:3。本专利技术另一方面提供本专利技术第一方面所述CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料的制备方法,具体体现在以下几个方面:(6)上述(1)至(5)之一所述CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料的制备方法,其中,所述方法包括以下步骤:步骤1、石墨烯的预处理,得到改性石墨烯;步骤2、生坯的压制;步骤3、对步骤2得到的生坯进行真空预烧结;步骤4、将步骤3真空预烧结后的金属陶瓷置于低压烧结炉内,进行低压终烧结。(7)根据上述(6)所述的制备方法,其中,步骤1包括以下子步骤:步骤1-1、将石墨烯加入有机溶剂中,得到石墨烯悬浊液;步骤1-2、向石墨烯悬浊液中加入聚山梨酯-80;步骤1-3、调pH值,进行超声分散,得到改性石墨烯。(8)根据上述(6)或(7)所述的制备方法,其中,步骤2包括以下子步骤:步骤2-1、按重量百分比称取Co、Ni、WC、Mo2C、Ti(C,N)粉和步骤1预处理后的改性石墨烯,加入球磨机中进行球磨;步骤2-2、球磨结束后进行过滤、干燥,然后压制成生坯;优选地,在步骤2-2的干燥后,加入SD橡胶成型剂,并再次进行干燥;更优选地,SD橡胶成型剂的加入量为7~16%。(9)根据上述(6)至(8)之一所述的制备方法,其中,步骤3包括以下子步骤:步骤3-1、将生坯置于真空炉中,并以0.5~2.5℃/min(优选0.8~2℃/min,更优选1~1.5℃/min)的速率升至400~700℃,保温0.5~3h,然后于10~15Pa的真空下脱出成型剂;步骤3-2、以2~6℃/min(优选2.5~5℃/min,更优选3~4.5℃/min)的升温速率升至1150~1250℃,保温0.5~2h,然后于5~10Pa的真空下完成固相阶段烧结;步骤3-3、以1~5℃/min(优选1.5~4℃/min,更优选2~3℃/min)的升温速率升至1280~1350℃,保温0.2~1h,然后于1~5Pa的真空下完成液相阶段烧结。(10)根据上述(6)至(9)之一所述的制备方法,其中,所述低压终烧结如下进行:以2~8℃/min的速率升至1350~1500℃,保温0.5~3h,然后于5~15Pa的保护性气氛(例如氩气气氛)下进行低压终烧结;优选地,以3~6℃/min(例如4~5℃/min)的速率升至1400~1450℃,保温1~2h,然后于5~10Pa的保护性气氛(例如氩气气氛)下进行低压终烧结。附图说明图1示出实施例与对比例采用的石墨烯的微观形貌图;图2示出实施例1~3以及对比例1~3得到的材料的微观组织结构图;图3示出实施例1~3以及对比例1~3得到的材料的断口组织结构图。具体实施方式下面通过对本专利技术进行详细说明,本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。本专利技术一方面提供了一种CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,所述材料由一种组合物制成,所述组合物包括Ti(C,N)、Co、Ni、WC、Mo2C和石墨烯。其中,在Ti(C,N)基金属陶瓷中添加石墨烯,利用石墨烯的碳单质属性提高Ti(C,N)基金属陶瓷作为CVD涂层基体时的抗脱碳能力,同时利用石墨烯超高的杨氏模量与本征强度提高基体材料的横向断裂强度和硬度,阻碍涂层裂纹的扩展。在现有技术中有涉及采用过渡族碳化物添加剂比如VC、Cr3C2、TaC、NbC、WC、Mo2C、ZrC、HfC等可以提高强度,但不能形成抗脱碳作用,而石墨烯的添加同时解决两类涂层问题。另外,由于石墨烯非常细小,厚度在纳米级别,比表面积大(石墨烯比表面积为2630m2/g,炭黑比表面积不到900m2/g,碳纳米管比表面积为100~1000m2/g),表面能很高,溶解分散均匀,对基体的割裂作用非常小,因此这种方式避免了直接添加石墨或炭黑形成的石墨相(软相)从而引起基体强度下降的问题。而且,添加游离态的石墨在烧结过程中会助长其周围的碳化物晶粒长大,导致合金的晶粒不均匀,因此也避免了添加石墨或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,所述材料由一种组合物制成,所述组合物包括Ti(C,N)、Co、Ni、WC、Mo2C和石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,所述材料由一种组合物制成,所述组合物包括Ti(C,N)、Co、Ni、WC、Mo2C和石墨烯。2.根据权利要求1所述的CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,其特征在于,所述组合物中组分的重量百分配比如下:3.根据权利要求1或2所述的CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,其特征在于,所述组合物中组分的重量百分配比如下:4.根据权利要求1至3之一所述的CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料,其特征在于,在所述组合物中,Co的粒度为0.6~1.8μm,WC的粒度为0.6~1.8μm,Mo2C的粒度为0.8~3.5μm,Ti(C,N)的粒度为0.8~4.0μm;和/或所述石墨烯为改性石墨烯,优选为聚山梨酯-80改性石墨烯;和/或在Ti(C,N)粉末中,C原子与N原子的摩尔比为(6~8):3,优选为7:3。5.权利要求1至4之一所述CVD涂层用Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:步骤1、石墨烯的预处理,得到改性石墨烯;步骤2、生坯的压制;步骤3、对步骤2得到的生坯进行真空预烧结;步骤4、将步骤3真空预烧结后的金属陶瓷置于低压烧结炉内,进行低压终烧结。6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤1包括以下子步骤:步骤1-1、将石墨烯加入有机溶剂中,得到石墨烯悬浊液;步骤1-2、向石墨烯悬浊液中加入聚山梨酯-80;步骤1-3、调pH值,进行超声分散,得到改性石墨烯。7.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,步骤2包括以下子步骤:步骤2-1、按重量百分比称取Co、...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨天恩熊计时然倪磊
申请(专利权)人:四川大学
类型:发明
国别省市:四川,51

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1