一种板状碳化物固溶体增韧混晶Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种板状碳化物固溶体增韧混晶Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：首先以Ti粉、W粉、TiO2粉、Ni粉、Mo粉、石墨粉为原料，混合后进行高能球磨，其中TiO2粉的尺寸为20～40nm，其余粉末尺寸均为1～2μm；以高能球磨粉料与TiN粉、石墨粉、WC粉、Ni粉、Mo粉、TaC粉、NbC粉、Cr3C2粉为原料，配制成金属陶瓷混合料，球磨混合均匀，除高能球磨粉料外，其余粉末尺寸均为1～2μm；再经添加成型剂、压制成型和脱脂工序，最终在真空/气氛一体炉中进行烧结，得到具有混晶结构的Ti(C,N)基金属陶瓷。该金属陶瓷抗弯强度、硬度和断裂韧性均较高，具有较好的综合力学性能。本发明专利技术工艺简单，对生产设备无特殊要求，生产成本较低，具有广阔的应用前景。

A Method for Preparing Ti(C,N)-based Cermets Toughened by Plate Carbide Solid Solution

The invention discloses a preparation method of plate carbide solid solution toughening mixed crystal Ti (C, N) based cermets, which includes the following steps: firstly, using Ti powder, W powder, titanium dioxide powder, Ni powder, Mo powder and graphite powder as raw materials, after mixing, high-energy ball milling is carried out, in which the size of titanium dioxide powder is 20-40 nm, and the other powder sizes are 1-2 micrometers; using high-energy ball abrasive powder and TiN powder, graphite powder, WC powder and Ni powder as raw materials; Powder, Mo powder, TaC powder, NbC powder and Cr3C2 powder are used as raw materials to prepare cermet-metal mixture, which is uniformly mixed by ball milling. Except high-energy ball-milling powder, the other powder sizes are 1-2 micron. After adding moulding agent, pressing and degreasing process, Ti (C, N) based cermet with mixed crystal structure is obtained by sintering in a vacuum/atmosphere furnace. The cermet has high flexural strength, hardness and fracture toughness, and has good comprehensive mechanical properties. The invention has simple process, no special requirements for production equipment, low production cost and broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种板状碳化物固溶体增韧混晶Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法
本专利技术属于粉末冶金
，具体涉及一种板状碳化物固溶体增韧混晶Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法。
技术介绍
Ti(C,N)基金属陶瓷具有密度低、红硬性高、耐磨性好、高温抗氧化能力强、化学稳定性高，与金属间的摩擦系数低等优点，在刀具、模具、耐磨零部件、耐腐蚀器件等领域拥有广阔的应用前景。与目前工具市场使用最广泛的WC-Co基硬质合金刀具相比，金属陶瓷刀具的加工效率高，被加工件表面质量更好，使用寿命更长，且不含或仅含微量的W和Co这类稀缺战略贵金属，制造成本仅为硬质合金的40％-45％。因而Ti(C,N)基金属陶瓷作为WC-Co硬质合金的理想升级替代材料具有巨大的市场潜力。目前Ti(C,N)基金属陶瓷存在的主要问题是断裂韧性偏低，使其应用范围受到限制。一些研究者通过在Ti(C,N)基金属陶瓷中引入各类晶须、碳纳米管等实现了金属陶瓷的增强增韧。但是，晶须、碳纳米管等添加物不仅价格昂贵，且极容易吸氧且易团聚，添加前必须对其进行除杂、脱氧和分散等前处理，如果这些前处理过程进行得不理想，不但不能提高金属陶瓷的断裂韧性，甚至还会使材料的综合力学性能明显降低。制备成本大幅度上升，制备工艺复杂程度明显增加使得这些上述技术至今在工业领域没有得到实际应用。另一方面，也有研究者采用研发了细晶粒的Ti(C,N)基金属陶瓷，使材料的硬度和强度得到一定程度的提高，但降低了材料的韧性。鉴于上述情况，为了使Ti(C,N)基金属陶瓷能在更多领域得到更好的应用，有必要对此种材料进行进一步的研究，开发出一种适合于工业化生产的新方法，使Ti(C,N)基金属陶瓷材料不但具有较高的硬度和强度，也具有较高的断裂韧性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是提供一种板状碳化物固溶体增韧混晶Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，解决了金属陶瓷的断裂韧性偏低，制备成本高，而且综合力学性能偏低的问题。技术方案：本专利技术一种板状碳化物固溶体增韧混晶Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)高能球磨：以Ti粉、W粉、TiO2粉、Ni粉、Mo粉、石墨粉为原料，混合后进行高能球磨，其成分质量份数为：Ti：16.81～25.77，W：10.02～19.98，Ni：11.65～14.71，Mo：2.45～4.96，O：4.89～9.0，C：2.17～3.68，其中TiO2粉的尺寸为20～40nm，其余粉末尺寸均为1～2μm；(2)球磨混料：以步骤(1)所得高能球磨粉料与TiN粉、石墨粉、WC粉、Ni粉、Mo粉、TaC粉、NbC粉、Cr3C2粉为原料，配制成金属陶瓷混合料，球磨混合均匀，其中混合料成分质量份数为：Ti：19.65～29.5，C：7.8～13.55，N：0.83～1.15，O：4.89～9.00，Ni：12.64～34.75，Mo：8.43～14.63，W：15.85～22.73，Ta：0.5～1，Nb：0.6～1.2，Cr：0.5～0.8，除高能球磨粉料外，其余粉末尺寸均为1～2μm；(3)添加成型剂：成型剂采用浓度为7wt.％的聚乙烯醇水溶液，加入比例为混合料的4～6wt％；(4)压制成型：在100～150Mpa压力下压制成型，获得压坯；(5)脱脂工序：将压坯置于真空/气氛一体炉中，在真空度高于10Pa的条件下，缓慢升温至400℃，进行脱脂，得到脱脂压坯；(6)烧结：将步骤(5)得到的脱脂压坯在真空/气氛一体炉中进行烧结，获得具有混晶结构的Ti(C,N)基金属陶瓷；所述烧结过程为：首先将脱脂压坯在真空度高于1.0×10-2Pa的条件下升温至800～1100℃，保温1～3h；随后将脱脂压坯再升温至1180～1250℃，保温2～3h；然后升温至1260～1300℃，此阶段通入CH4和Ar混合气体，压力为800～1500Pa，保温20～40min；最后升温至1380～1420℃，保温0.5～1.5h，保温阶段再通入CH4和Ar混合气体，压力为200～500Pa；冷却阶段以25℃/min的冷却速度快速冷却至1050℃以下。进一步的，所述步骤(1)中，高能球磨在氩气保护下进行，将混合粉置于行星球磨机中，球料比为15:1～30:1，球磨机转速200～300rpm，时间4～12h，高能球磨后会形成主要由Ti、W、Mo、Ni和C元素组成的缺碳相，有利于在随后的烧结过程中与含碳气氛进一步反应，生成粗的板条状(Ti,W,Mo)C颗粒。进一步的，所述步骤(2)中，球磨混料在行星球磨机中进行，球料比为5：1，球磨机转速为250～350rpm，时间为20～30h。进一步的，所述步骤(5)中，温度由200～400℃之间的升温速率为0.3～0.5℃/min。进一步的，所述步骤(6)中，在脱脂压坯升温至1260～1300℃及保温的阶段，通入的CH4和Ar混合气体中CH4与Ar的体积比为1：1～2。进一步的，所述步骤(6)中，在脱脂压坯升温至1380～1420℃后的保温阶段，通入的CH4和Ar混合气体中CH4与Ar的体积比为1：1～2。为实现本目的，金属陶瓷混合料中的一部分Ti以TiO2的形式引入，同时混合料中石墨粉的添加量在保证完全还原TiO2后，低于正常化学计量比2～3wt.％。一直以来，氧在Ti(C,N)基金属陶瓷中都被视为有害杂质元素，因为它们在液相烧结过程中会降低硬质相和粘结相之间的润湿性，恶化材料的组织和性能，所以在制备金属陶瓷的过程中要尽可能脱除粉料中的氧。本专利技术虽然以TiO2的形式引入部分Ti的同时也将O元素引入到Ti(C,N)基金属陶瓷混合料中，但在混合料中引入相应含量的石墨粉，通过合理控制烧结工艺，TiO2粉与石墨粉在1200℃之前发生如下固相反应：3TiO2+C→Ti3O5+CO；2Ti3O5+C→3Ti2O3+CO；Ti2O3+C→2TiO+CO；TiO+2C→TiC+CO，可以将O完全脱除并原位生成细晶粒的TiC。由于此时烧结体仍然处于固相烧结阶段，致密度较低，孔隙呈开孔状态，反应生成的气体在真空条件下能够顺利排出，不会影响后续的液相烧结。在后续烧结阶段，随着温度的升高，原位碳热还原生成的TiC和WC、Mo2C及其它碳化物发生固溶反应，生成细的(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Cr)C颗粒。与此同时，在这一阶段，由于混合料中石墨粉的添加量低于正常化学计量比，高能球磨后的中间反应物会形成主要由Ti、W、Mo、Ni和C元素组成的缺碳相。在随后的固相烧结后期(然后升温至1260～1300℃)，由于炉中气氛为含碳气氛，缺碳相与渗入的C进一步反应，生成粗的板条状(Ti,W,Mo)C颗粒。另外，由于在终烧温度1380～1420℃下保温过程中通入CH4和Ar混合气体，使烧结炉中的气氛具有较高的碳势，有效抑制了小颗粒硬质相的溶解，所以大部分细的(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Cr)C颗粒基本保持下来。经最终液相烧结后获得的金属陶瓷中除了金属粘结相以外，还包含两种具有芯-环结构的硬质相颗粒，分别为以板状(Ti,W,Mo)C为核芯的粗板状颗粒和以(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Cr)C为核芯的细等轴状颗粒，核芯外围的环形相均为(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Cr)(C,N)(W、Mo含量相比芯部较低)。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种板状碳化物固溶体增韧混晶Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)高能球磨：以Ti粉、W粉、TiO2粉、Ni粉、Mo粉、石墨粉为原料，混合后进行高能球磨，其成分质量份数为：Ti：16.81～25.77，W：10.02～19.98，Ni：11.65～14.71，Mo：2.45～4.96，O：4.89～9.0，C：2.17～3.68，其中TiO2粉的尺寸为20～40nm，其余粉末尺寸均为1～2μm；(2)球磨混料：以步骤(1)所得高能球磨粉料与TiN粉、石墨粉、WC粉、Ni粉、Mo粉、TaC粉、NbC粉、Cr3C2粉为原料，配制成金属陶瓷混合料，球磨混合均匀，其中混合料成分质量份数为：Ti：19.65～29.5，C：7.8～13.55，N：0.83～1.15，O：4.89～9.00，Ni：12.64～34.75，Mo：8.43～14.63，W：15.85～22.73，Ta：0.5～1，Nb：0.6～1.2，Cr：0.5～0.8，除高能球磨粉料外，其余粉末尺寸均为1～2μm；(3)添加成型剂：成型剂采用浓度为7wt.％的聚乙烯醇水溶液，加入比例为混合料的4～6wt％；(4)压制成型：在100～150Mpa压力下压制成型，获得压坯；(5)脱脂工序：将压坯置于真空/气氛一体炉中，在真空度高于10Pa的条件下，缓慢升温至400℃，进行脱脂，得到脱脂压坯；(6)烧结：将步骤(5)得到的脱脂压坯置于真空/气氛一体炉中进行烧结，获得具有混晶结构的Ti(C,N)基金属陶瓷；所述烧结过程为：首先将脱脂压坯在真空度高于1.0×10‑2Pa的条件下升温至800～1100℃，保温1～3h；随后将脱脂压坯再升温至1180～1250℃，保温2～3h；然后升温至1260～1300℃，此阶段通入CH4和Ar混合气体，压力为800～1500Pa，保温20～40min；最后升温至1380～1420℃，保温0.5～1.5h，保温阶段再通入CH4和Ar混合气体，压力为200～500Pa；冷却阶段以25℃/min的冷却速度快速冷却至1050℃以下。...

【技术特征摘要】
1.一种板状碳化物固溶体增韧混晶Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)高能球磨：以Ti粉、W粉、TiO2粉、Ni粉、Mo粉、石墨粉为原料，混合后进行高能球磨，其成分质量份数为：Ti：16.81～25.77，W：10.02～19.98，Ni：11.65～14.71，Mo：2.45～4.96，O：4.89～9.0，C：2.17～3.68，其中TiO2粉的尺寸为20～40nm，其余粉末尺寸均为1～2μm；(2)球磨混料：以步骤(1)所得高能球磨粉料与TiN粉、石墨粉、WC粉、Ni粉、Mo粉、TaC粉、NbC粉、Cr3C2粉为原料，配制成金属陶瓷混合料，球磨混合均匀，其中混合料成分质量份数为：Ti：19.65～29.5，C：7.8～13.55，N：0.83～1.15，O：4.89～9.00，Ni：12.64～34.75，Mo：8.43～14.63，W：15.85～22.73，Ta：0.5～1，Nb：0.6～1.2，Cr：0.5～0.8，除高能球磨粉料外，其余粉末尺寸均为1～2μm；(3)添加成型剂：成型剂采用浓度为7wt.％的聚乙烯醇水溶液，加入比例为混合料的4～6wt％；(4)压制成型：在100～150Mpa压力下压制成型，获得压坯；(5)脱脂工序：将压坯置于真空/气氛一体炉中，在真空度高于10Pa的条件下，缓慢升温至400℃，进行脱脂，得到脱脂压坯；(6)烧结：将步骤(5)得到的脱脂压坯置于真空/气氛一体炉中进行烧结，获得具有混晶结构的Ti(C,N)基金属陶瓷；所述烧结过程为：首先将脱脂压坯在真空度高于1.0×10-2Pa的条件下升温至800～1100℃，保温1～3h；随后将脱脂压坯再...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑勇，章国涛，周伟，张家杰，柯峥，王守文，丁伟民，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32