Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术披露一种Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法。本专利原料为碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)、碳化钨WC、碳化钼/钼Mo2C/Mo、碳化铌NbC、碳化钒VC、钴Co、镍Ni粉末，其中NbC含量在3‑15wt.％范围，VC含量在0.3‑3％，VC含量依NbC含量变化。该材料形成的硬质相呈现二种芯‑环结构，一种是包含典型的黑芯相‑内环相‑外环相或黑芯相‑环形相结构，另一种是包含白芯相‑环形相结构。黑芯相‑内环相‑外环相或黑芯相‑环形相结构中的黑芯相总体积分数在10‑20％，内环相总体积分数在0.5‑2％，白芯相‑环形相结构中白芯相总体积分数在5‑10％。部分或全部白芯相的化学成分不同于内环相的化学成分，部分或全部白芯相中Nb元素含量高于内环相中Nb元素含量的30‑40％wt.％。本发明专利技术的Ti(C,N)基金属陶瓷具有抗热震性能和切削性能。

【技术实现步骤摘要】
Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法
本专利技术属于金属陶瓷领域，具体涉及一种低成本、高切削性能的Ti(C,N)基金属陶瓷的成分设计、制备工艺和应用
技术介绍
金属陶瓷是以陶瓷粉末和金属粉末为原料、通过高温烧结、利用金属相将陶瓷相粘结为一体的一类复合材料。它复合了力学性能相异的硬质陶瓷相和韧性金属相特性，使材料具有高强度、高硬度和一定的韧性，广泛用于切削刀具材料和其它耐磨件。WC-Co硬质合金是金属陶瓷典型代表材料。为节省钨、钴等全球战略资源，在上世纪30年代专利技术了Ti(C,N)基金属陶瓷，它是以碳化钛TiC、氮化钛TiN或碳氮化钛Ti(C,N)粉末为主要碳氮化合物、添加全部或部分碳化钨WC、碳化钼Mo2C/钼Mo、碳化钽TaC、碳化铌NbC、碳化钒VC、碳化铬Cr3C2等次要碳化物粉末以及添加全部或部分金属铁Fe、钴Co、镍Ni粉末为原料，通过液相烧结技术，制备的一种复杂结构的复合材料。Ti(C,N)基金属陶瓷具高强度、高硬度、高抗磨损能力，以及优良的热化学稳定性、与金属摩擦副摩擦系数低等一系列优点，已发展成为一种通用的切削刀具材料，但Ti(C,N)基金属陶瓷相对硬质合金而言，其韧性、抗热震-机械冲击能力不足，限制了Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的重力切削和断续切削，局限于精加工和半精加工。为调整显微组织，改善力学性能和切削性能，次要碳化物Mo2C、WC、TaC、NbC、VC等常常被引入Ti(C,N)基金属陶瓷体系。商用Ti(C,N)基金属陶瓷刀具牌号是成分优化的结果，成分具有较大的约束性。除室温力学性能外，如横向断裂强度(TRS)、硬度HV、断裂韧性(KIC)，高温行为亦是决定刀具使用寿命的重要指标，如抗热震性能、抗机械冲击性能和抗氧化性能。在高速加工过程中，刀具切削区域的温度可达800-1000℃，切削刃的工作条件在温度和诱导应力方面是比较极端的。在切削刃与工作接触瞬间，由于摩擦作用，切削刃温度急剧上升，刀具材料经历热应力和机械力变化过程，这一过程对刀具材料是个严峻考验。在这些情况下，突然的和反复的热变化导致的应力叠加在纯机械性质的应力上，如果不加以适当的处理，就会产生亚临界微裂纹，导致过早的工具失效。为解决上述问题，部分商用Ti(C,N)基金属陶瓷刀具添加大量的TaC，可高达15％，但TaC原料价格高，提高了产品成本。
技术实现思路
本专利技术针对Ti(C,N)基金属陶瓷的制备技术，提出了在Ti(C,N)基金属陶瓷中添加第VB族碳化物NbC和VC组分，改变金属陶瓷的显微组织，进而调节Ti(C,N)基金属陶瓷的室温力学性能、抗热震性能和刀具切削性能。本专利技术的Ti(C,N)基金属陶瓷能满足应用于切削刀具材料的服役性能和降低制造成本要求。本专利技术所用技术，是在Ti(C,N)基金属陶瓷中添加第VB族碳化物NbC和VC组分，具体组分包括碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)、碳化钨WC、碳化钼/钼Mo2C/Mo、碳化铌NbC、碳化钒VC、钴Co、镍Ni的粉末。各原料的质量分数为碳化钨WC为10-20wt.％、碳化钼/钼Mo2C/Mo为3-10wt.％、碳化铌NbC为3-15wt.％、碳化钒VC为0.3-3wt.％、钴Co与镍Ni混合粉末为10-25wt.％，其余为碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)。进一步优选为各原料的质量分数为碳化钨WC为14wt.％、碳化钼/钼Mo2C/Mo为9wt.％、碳化铌NbC为5wt.％、碳化钒VC为1.5wt.％、钴Co与镍Ni混合粉末为12wt.％，其余为碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)。进一步优选为各原料的质量分数为碳化钨WC为19wt.％、碳化钼/钼Mo2C/Mo为4wt.％、碳化铌NbC为7wt.％、碳化钒VC为1.5wt.％、钴Co与镍Ni混合粉末为15wt.％，其余为碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)。所述的Ti(C0.5,N0.5)粉末费氏粒度1-2μm，WC粉末费氏粒度0.5-1.5μm，Mo2C粉末费氏粒度1-2μm，NbC粉末费氏粒度1-3μm，VC粉末费氏粒度1-3μm，Co粉末费氏粒度1-2μm，Ni粉末费氏粒度1-2μm。进一步优选为Ti(C0.5,N0.5)粉末费氏粒度1.5μm，WC粉末费氏粒度1.0μm，Mo2C粉末费氏粒度1.85μm，NbC粉末费氏粒度2.0μm，VC粉末费氏粒度2.0μm，Co粉末费氏粒度1.5μm，Ni粉末费氏粒度1.5μm。本专利技术的技术方案利用VC对NbC溶解度的影响，形成一种新型组织结构的Ti(C,N)基金属陶瓷。这种新型组织结构具有大幅提高Ti(C,N)基金属陶瓷抗热震性能和刀具切削性能。通常，为抗刀具前刀面月牙洼磨损，TaC或NbC是不可缺少的组分，在本专利技术技术中，不添加TaC，主要采用NbC，从而降低材料制造成本。在大部分情况，VC作为晶粒长大抑制剂而加入到Ti(C,N)基金属陶瓷，添加量低于1％wt.％(质量分数)。本专利技术专利技术中，VC量添加量在0～3％wt.％范围。理论研究结果表明，高含量VC会降低Ti(C,N)基金属陶瓷的烧结性，提高制品孔隙率。在本专利技术专利技术中所运用的烧结工艺，即使VC含量高达3wt.％，无论压力烧结还是真空烧结，孔隙率均可达到A02水平。本专利技术所用技术中，原料组分中，Ti(C,N)、WC、Mo2C、Ni和Co根据应用要求调整，专利实质性技术为，NbC含量在3-15wt.％范围，VC含量在0.3-3％，且VC含量依NbC含量变化，形成一种新型结构Ti(C,N)基金属陶瓷。这种新型结构Ti(C,N)基金属陶瓷具备如下的组织结构特征：在扫描电子显微镜背散射电子成像模式下(SEM-BSEmode)，组织中硬质相呈现二种芯-环结构，一种是包含典型的黑芯相-内环相-外环相或黑芯相-环形相结构，另一种是包含白芯相-环形相结构。黑芯相-内环相-外环相中的黑芯相占组织总体积分数的10-20％，白芯相-环形相结构中白芯相占组织总体积分数的5-10％。这种组织结构更重要特征在于，组织中出现化学成分显著不同于内环相的白芯相，这部分白芯相中Nb元素含量比内环相中Nb元素含量高30-40wt.％，且这部分白芯相不能通过溶解-析出机制得到，而是通过添加VC，促成NbC与Ti(C,N)在某一烧结阶段发生固相反应的途径获得。这种组织结构的进一步的特征在于，黑芯相-内环相-外环相结构中，内环相占组织总体积分数的0.5-2％，内环相体积分数超出这个范围，会导致Ti(C,N)基金属陶瓷抗热震性能下降。上述新型结构Ti(C,N)基金属陶瓷以下列方式对力学性能、抗热震性能和切削性能施加影响：1)本专利技术控制内环相总体积分数，在0.5-2％范围可得到较好的抗热震性能。常规Ti(C,N)基金属陶瓷硬质相由黑色相、内环相和外环相构成，形成黑芯相-内环相、内环相-处环相二个界面。如减少内环相总体积分数，大部分硬质相只有黑芯-环形相一个界面。硬质相界面通常是裂纹源萌生地，限制界面数量，无疑会提高热震抗力。2)本专利技术的Ti(C,N)基金属陶瓷白芯相较内环相富含Nb元素，使白芯相具备更高的硬度，增强了陶瓷相骨架，提高了金属陶瓷刚性和耐磨性能。本专利技术控制白芯相总体积分数在5-10％范围，将黑芯相总体积分数降至10-20％范围，赋予了Ti(C,N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.Ti(C,N)基金属陶瓷，其原料包括碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)、碳化钨WC、碳化钼/钼Mo2C/Mo、碳化铌NbC、碳化钒VC、钴Co、镍Ni的粉末。

【技术特征摘要】
1.Ti(C,N)基金属陶瓷，其原料包括碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)、碳化钨WC、碳化钼/钼Mo2C/Mo、碳化铌NbC、碳化钒VC、钴Co、镍Ni的粉末。2.根据权利要求1所述的Ti(C,N)基金属陶瓷，其特征在于，各原料的质量分数为碳化钨WC为10-20wt.％、碳化钼/钼Mo2C/Mo为3-10wt.％、碳化铌NbC为3-15wt.％、碳化钒VC为0.3-3wt.％、钴Co与镍Ni混合粉末为10-25wt.％，其余为碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)。3.根据权利要求1所述的Ti(C,N)基金属陶瓷，其特征在于，各原料的质量分数为碳化钨WC为14wt.％、碳化钼/钼Mo2C/Mo为9wt.％、碳化铌NbC为5wt.％、碳化钒VC为1.5wt.％、钴Co与镍Ni混合粉末为12wt.％，其余为碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)。4.根据权利要求1所述的Ti(C,N)基金属陶瓷，其特征在于，各原料的质量分数为碳化钨WC为19wt.％、碳化钼/钼Mo2C/Mo为4wt.％、碳化铌NbC为7wt.％、碳化钒VC为1.5wt.％、钴Co与镍Ni混合粉末为15wt.％，其余为碳氮化钛Ti(C0.5,N0.5)。5.权利要求1-4任一项所述的Ti(C,N)基金属陶瓷，其特征在于，Ti(C0.5,N0.5)粉末费氏粒度1-2μm，WC粉末费氏粒度...

【专利技术属性】
技术研发人员：丰平，龚林，余海洲，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42