一种无芯-环结构金属陶瓷合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属陶瓷材料制备技术领域，涉及一种无芯‑环结构金属陶瓷合金及其制备方法。本发明专利技术的无芯‑环结构金属陶瓷合金按重量百分比计，其成分为10～55％Ti(C,N)微米粉末，10～55％(Ti,M)(C,N)微米粉末，10～55％Ti(C,N)亚微米或/和纳米粉末10～55％(Ti,M)(C,N)亚微米/和纳米粉末，5～20％WC，0～30％TiC，0～30％TiN，0～20％Co，0～20％Ni，0～10％Cr，0～15％Mo2C，0～10％TaC/NbC，0～2.5％VC，0～5％Cr2C3，0～1.2％炭黑，按一定比例配成混合料，经球磨、过筛及模压制成坯料、烧结冷却可制得无芯‑环结构的金属陶瓷材料。本发明专利技术采用粉末冶金方法制备了一种无芯‑环结构的金属陶瓷合金，它克服了传统芯‑环结构金属陶瓷制备过程时微观结构芯‑环厚度不易控制的技术难点。

【技术实现步骤摘要】
一种无芯-环结构金属陶瓷合金及其制备方法
本专利技术属于金属陶瓷材料制备
，具体为一种无芯-环结构金属陶瓷合金及其制备方法。
技术介绍
Ti(C,N)基金属陶瓷合金具有独特的性能优势，在700～1100℃具备优异的耐磨性、高温高硬性、热稳定性、抗氧化性和抗粘附性等特点，是高温、高速主要的切削刀具选用基体材料之一。由于该类合金还具备稳定的高温强度、良好的摩擦性能和耐酸碱腐蚀性能，广泛应用于发动机的高温部件、石化和化纤等多种行业和领域。与传统的WC-Co硬质合金相比，该类材料填补了硬质合金与陶瓷刀具等材质需求之间的空白，并且有效的节约普通硬质合金刀具所必须的Co，Ta和W等贵重稀有金属。开发高性能(高硬度、高强度、高的综合耐磨性能，简称“三高”)长寿命Ti(C,N)基金属陶瓷合金材料成为近几年Ti(C,N)基金属陶瓷研究的焦点。目前，本领域主要以制备具有典型芯-环结构的Ti(C,N)基金属陶瓷为主要方法，烧结时可在硬质相上形成由(Ti,M)(C,N)复合固溶体所构成的芯-环形壳层，但该环形壳层通常并不完整，以至硬质相中一部分的Ti(C,N)和粘接相金属会直接接触，引起硬质相脱碳等问题，使金属陶瓷的断裂韧性和抗弯强度下降。同时微观芯-环结构厚度对制备合金的硬度、断裂韧性和抗弯强度的影响极大，在制备过程中形成合金的微观芯-环结构过厚或者芯-环结构过薄都不利于最终综合性能。因此，微观芯-环结构厚度的控制工艺难度极大，导致材料性能稳定性不易保证。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的第一目的在于提供一种无芯-环结构金属陶瓷合金以解决环形壳层不完整，以至硬质相中一部分的Ti(C,N)和粘接相金属会直接接触，引起硬质相脱碳，造成金属陶瓷的断裂韧性和抗弯强度下降的问题；本专利技术的第二目的在于提供一种无芯-环结构金属陶瓷合金的制备方法以解决芯-环结构厚度难以控制的问题。一种无芯-环结构金属陶瓷合金，金属陶瓷合金按重量百分比计，其成分为10～55％Ti(C,N)微米粉末，10～55％(Ti,M)(C,N)微米粉末，10～55％Ti(C,N)亚微米或/和纳米粉末，10～55％(Ti,M)(C,N)亚微米/和纳米粉末，5～20％WC，0～30％TiC，0～30％TiN，0～20％Co，0～20％Ni，0～10％Cr，0～15％Mo2C，0～10％TaC/NbC，0～2％VC，0～5％Cr2C3，0～1.2％炭黑。此处需要说明的是，组分中可选择TiN、Co、Ni、Cr、Mo2C、TaC/NbC、VC、Cr2C3、炭黑中的任意一种、几种或全部。其中，(Ti,M)(C,N)微米粉末、(Ti,M)(C,N)亚微米或/和纳米粉末中的M元素为Mo,W,Ta,Nb,Zr,Cr,V等固溶体粉末中的任意一种或几种；Ti(C,N)、(Ti,M)(C,N)微米粉末与所述Ti(C,N)、(Ti,M)(C,N)亚微米或/和纳米尺度粉末中的C，N均采用C/N原子比7/3、6/4或5/5中的一种，优选质量分数为5/5。此处需要说明的是，此处的亚微米或/和纳米粉末是指在具体实验过程中可选用(Ti,M)(C,N)的亚微米粉末、(Ti,M)(C,N)的纳米粉末或者(Ti,M)(C,N)的亚微米粉末与(Ti,M)(C,N)的纳米粉末混合粉末中的任意一种。具体地，此处硬质相主要选用Ti(C,N)，(Ti,M)(C,N)粉末，另外还包括WC，TiC，TiN，TaC粉末中的一种或几种，其中(Ti,M)(C,N)粉末中的M元素选为Mo，W，Ta，Nb，Zr，Cr，V等。粘结相选用Co、Ni、Cr、Fe等一种或几种。添加相选用Mo2C、TaC、NbC中的任意一种；强化相选用VC，Mn2C，ZrC、Cr2C3及炭黑粉末中的任意几种或全部作为预备原材料。优选地，按重量百分比计，其成分为15～45％Ti(C,N)，15～45％(Ti,M)(C,N)微米粉末，6～15％Ti(C,N)微米或/和纳米粉末，7～15％(Ti,M)(C,N)亚微米或/和纳米粉末，12～18％WC，0.5～15％TiC，0.5～15％TiN，8～15％Co，3～8％Ni，1～5％Cr，5～12％Mo2C，2～10％TaC/NbC，0.3～1.0％VC，0.5～1.2％Cr2C3，0.0～1.0％炭黑。一种无芯-环结构金属陶瓷合金的制备方法，包括以下步骤：(1)按比例称取上述所列举的原料进行混合，加入研磨介质、分散剂及成型剂，混合均匀后得到预备原料。(2)将预备原料装入球磨机的研磨硬质合金球磨罐内，进行球磨得到混合物料。(3)将混合物料过150～250目滤筛或喷雾制粒。(4)将过筛后的混合物料直接装入模具中压制成坯料。(5)先将模压成型的坯料装入高真空脱脂正压烧结急速冷却炉内，抽出炉体内气体使其呈真空，真空度不超过15Pa，再启动烧结炉电源，并依次进入加热脱脂阶段、固相烧结阶段、液相烧结阶段以及急速冷却阶段，然后出炉取出金属陶瓷合金。进一步地，步骤(1)中研磨介质为已烷或无水乙醇，其占加入总量的质量分数为0.5～1.8％；分散剂为十二烷基苯璜酸、硬质酸或乙索敏，其质量分数为0.1～0.5％；成型剂是汽油和橡胶、石蜡、聚乙烯醇、合成橡胶、乙二醇或SBS中一种或几种为溶质，其质量分数为2～5％。进一步地，步骤(2)中的球磨机为滚动型球磨机或行星式球磨机，硬质合金球的球径为6.25～10mm，球料比为8～15:l；所述球磨机的球磨转速为70～120转/分钟，球磨时间为48～144h，其优选时间为72～116h。进一步地，模具中的压力为150～450MPa，保压时间为15～300s，优选15～30s。进一步地，加热脱脂过程中按预热、通入气体、升温、保温控温工序进行，加热真空脱脂温度升温至450～800℃，其优选温度为500℃，保温控温时间为50～100min，其温度偏差控制在±0.50℃。此处需要说明的是，通入的气体为纯氮气、氮气和氢气、氮气和氩气、甲烷和氩气中的任意一组气体。进一步地，固相烧结阶段中加热温度由450～800℃升温至1280～1350℃，加热速率不超过5℃/min，在烧结温度为850～950℃、1220～1280℃和1280～1350℃分别设置保温控温时间为45～90min，其温度偏差控制在±0.50℃。此处需要说明的是，此处的烧结温度是达到各阶段范围内的某一具体温度值即可进行保温，然后此具体温度偏差控制在±0.50℃内。进一步地，固相烧结阶段完成后进入液相烧结阶段时，以2～5℃/min的升温速率将温度升高至1430～1470℃，液相烧结阶段的保温时间为45～90min，同时通入1～10MPa的氩气气体，氩气气体纯度大于99.995％，其气压优选2～5MPa，温度偏差控制在±0.50℃内。进一步地，液相烧结阶段完成后进入急速冷却阶段，先将温度缓慢冷却到1200℃，充入氩气气体作为冷却介质进行急速冷却直至室温，氩气气体纯度大于99.995％，其冷却速率大于35℃/min达到室温。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术提供的金属陶瓷合金采用多元合金化元素优化金属陶瓷材料硬质相、湿润相及强化相，通过合金元素对金属相或陶瓷相的有效物相调控改性，降低其膨胀系数，耦合匹配了基体硬质相和粘结相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无芯‑环结构金属陶瓷合金，其特征在于，按重量百分比计，其成分为10～55％Ti(C,N)微米粉末，10～55％(Ti,M)(C,N)微米粉末，10～55％Ti(C,N)亚微米或/和纳米粉末，10～55％(Ti,M)(C,N)亚微米/和纳米粉末，5～20％WC，0～30％TiC，0～30％TiN，0～20％Co，0～20％Ni，0～10％Cr，0～15％Mo2C，0～10％TaC/NbC，0～2％VC，0～5％Cr2C3，0～1.2％炭黑；其中，所述(Ti,M)(C,N)微米粉末、(Ti,M)(C,N)亚微米或/和纳米粉末中的M元素为Mo,W,Ta,Nb,Zr,Cr,V固溶体粉末中的任意一种或几种；所述Ti(C,N)、(Ti,M)(C,N)微米粉末与所述Ti(C,N)、(Ti,M)(C,N)亚微米或/和纳米尺度粉末中的C，N均采用C/N原子比7/3、6/4或5/5中的一种。

【技术特征摘要】
2018.05.10 CN 20181044277861.一种无芯-环结构金属陶瓷合金，其特征在于，按重量百分比计，其成分为10～55％Ti(C,N)微米粉末，10～55％(Ti,M)(C,N)微米粉末，10～55％Ti(C,N)亚微米或/和纳米粉末，10～55％(Ti,M)(C,N)亚微米/和纳米粉末，5～20％WC，0～30％TiC，0～30％TiN，0～20％Co，0～20％Ni，0～10％Cr，0～15％Mo2C，0～10％TaC/NbC，0～2％VC，0～5％Cr2C3，0～1.2％炭黑；其中，所述(Ti,M)(C,N)微米粉末、(Ti,M)(C,N)亚微米或/和纳米粉末中的M元素为Mo,W,Ta,Nb,Zr,Cr,V固溶体粉末中的任意一种或几种；所述Ti(C,N)、(Ti,M)(C,N)微米粉末与所述Ti(C,N)、(Ti,M)(C,N)亚微米或/和纳米尺度粉末中的C，N均采用C/N原子比7/3、6/4或5/5中的一种。2.根据权利要求1所述的一种无芯-环结构金属陶瓷合金，其特征在于，按重量百分比计，其成分为15～45％Ti(C,N)，15～45％(Ti,M)(C,N)微米粉末，6～15％Ti(C,N)微米或/和纳米粉末，7～15％(Ti,M)(C,N)亚微米或/和纳米粉末，12～18％WC，0.5～15％TiC，0.5～15％TiN，8～15％Co，3～8％Ni，1～5％Cr，5～12％Mo2C，2～10％TaC/NbC，0.3～1.0％VC，0.5～1.2％Cr2C3，0.0～1.0％炭黑。3.一种无芯-环结构金属陶瓷合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按比例称取权利要求1或2中的原料进行混合，加入研磨介质、分散剂及成型剂，混合均匀后得到预备原料；(2)将预备原料装入球磨机的研磨硬质合金球磨罐内，进行球磨得到混合物料；(3)将混合物料过150～250目滤筛或喷雾制粒；(4)将过筛后的混合物料直接装入模具中压制成坯料；(5)先将模压成型的坯料装入高真...

【专利技术属性】
技术研发人员：董定乾，时凯华，廖军，舒军，唐启佳，郑江，
申请(专利权)人：四川理工学院，自贡硬质合金有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51