一种碳氮化物基金属陶瓷及制备工艺制造技术

一种碳氮化物基金属陶瓷及制备工艺，上述碳氮化物基金属陶瓷组分中，硬质相的作用是提高材料的高温红硬性，分散相的作用是提高材料的冲击韧性，添加分散相固溶体可使生产出来的材料金相组织更加均匀，改善了硬质相的相结构组成，使碳氮化物基金属陶瓷材料的強度和韧性都有大幅提升。本发明专利技术实施例提供的碳氮化物基金属陶瓷，制作成刀片后，后刀面磨损值达到Vb＝0.2mm时的切削时间高达27min，明显优于现有技术制备的相同配方刀片的切削时间，刃口无崩坏。

A kind of carbonitride based cermet and its preparation process

【技术实现步骤摘要】
一种碳氮化物基金属陶瓷及制备工艺
本专利技术属于金属陶瓷
，具体涉及一种碳氮化物基金属陶瓷及制备工艺。
技术介绍
金属加工用硬质工具材料是加工制造业的重要组成部分，决定着制造业中零件的加工效率、精度、质量和成本。硬质工具材料通常具备较高的硬度、强韧性、耐磨性和抗氧化性等，根据成分可以分为高速钢、硬质合金和金属陶瓷等。金属陶瓷具有高的高温硬度和强度，但韧性较差，常用于高速精加工。金属陶瓷是一类由无机非金属相(氧化物、碳化物和氮化物等)和金属(或合金)粘接相所组成的复合材料。一般来说，陶瓷相颗粒约占材料总体积的15～85％，弥散分布在粘接相金属中。TiC基金属陶瓷1929年率先由德国科学家研制成功并实现商业化，但早期的TiC基金属陶瓷因硬质颗粒与镍的润湿性差，材料脆性大，应用受到极大限制。直到上世纪50年代中后期，福特公司研发人员发现在TiC-Ni基金属陶瓷中加入Mo能够提高金属基体对硬质相的润湿性，并阻碍硬质颗粒的长大，从而大幅提高了材料的硬度和韧性，此类材料开始被大量应用于切削刀具领域。为了改善碳化钛基金属陶瓷用作刀具材料的切削性能，现有技术中，通常加入TiN、WC、TaC、Nb、Mo2C、HfC、ZrC和VC等作为添加剂来增加材料的烧结性和改善材料的微观组织，然而效果并不理想。
技术实现思路
为解决现有技术中，碳化钛基金属陶瓷用作刀具材料切削性能差的问题，本专利技术实施例的目的之一在于提供一种碳氮化物基金属陶瓷。本专利技术实施例的目的之二在于提供上述碳氮化物基金属陶瓷的制备工艺。为实现上述目的，本专利技术实施例采用以下技术方案：一种碳氮化物基金属陶瓷，包括以下重量份计的组分：粘接相10～30份，硬质相10～30份，分散相30～70份，所述硬质相为(Ti、W、M)CN固溶体，所述M为Hf、Zr和V中的至少一种；所述分散相为(Ti，Ta，Nb，Mo)CN固溶体。上述碳氮化物基金属陶瓷组分中，添加硬质相的作用是提高材料的高温红硬性，添加分散相的作用是改善硬质相的相结构组成，可使生产出来的材料组织更加均匀，从而使碳氮化物基金属陶瓷材料的韧性有大幅提升。综合以上因素，最终金属陶瓷材料的韧性大，高温红硬性好，具有极好的耐磨性、抗热性和抗冲击性。此外，本专利技术实施例的碳氮化物基金属陶瓷，可以根据不同需要选用化学组成不同的硬质相(Ti、W、M)CN固溶体和分散相(Ti，Ta，Nb，Mo)CN固溶体。当碳化钛基金属陶瓷做切削工具材料时，添加TiN除有抑制晶粒长大的作用外，还具有降低该材料与工件之间的摩擦系数的作用，因此提高了抗月牙洼性能，从而提高了金属陶瓷材料的耐磨性。通过试验发现：当TiN含量小于10％时便不能起到上述作用；另一方面当TiN的含量高于25％时不仅与粘接相的润湿性受到不利影响，而且会引起基体材质韧性降低，因此TiN的含量最多只能在25％。已知WC具有改善碳化钛基金属陶瓷粘接相对硬质相润湿性的作用，因而可以提高碳化钛基金属陶瓷的韧性。但是WC加入量低于10％便不能起到上述作用。另一方面加入量超过30％则会使碳化物基金属陶瓷的抗氧化性和耐磨性能趋于降低，因比最大加入量为30％。添加HfC、ZrC、VC既能提高硬质相的硬度，又能提高硬质相与粘接相之间的晶界结合强度，因而可以显著地提高碳化钛基金属陶瓷的耐磨性和抗热性。HfC、ZrC、VC的加入量低于0.5％便不能起到上述作用，另一方面当加入量高于5％便会降低粘接相和硬质相的润湿性，从而使碳化钛基金属陶瓷的韧性降低。加入硬质相的目的是改善金属陶瓷材料的红硬性，提高刀具材料的耐磨性。因为WC、HfC、ZrC和VC的高温红硬性比TiC好，加入后可使材料的高温性能有所提升。硬质相的添加量占整个材料的范围为10～30％，超过30％的量则可能使材料的韧性变差。添加TaC和NbC进入碳化钛基金属陶瓷的目的是提高基体材料的高温强度，而且通过TaC和NbC部分分解产生的Ta和Nb与粘接相形成固溶体，还能进一步的提高粘接相的强度。当TaC和NbC的加入量低于3％时便起不到上述作用，另一方面当加入量50％时碳化钛基金属陶瓷的耐磨性和抗氧化性倾向降低，因此最多加入TiC的50％。已知Mo及Mo2C具有改善粘接相对硬质相润湿性的作用，因而可以提高碳化钛基金属陶瓷的韧性。但是Mo2C加入量低于10％便不能起到上述作用；另一方面加入量超过30％则会使碳化钛基金属陶瓷的抗氧化性和耐磨性能降低，因此加入量不要超过30％。通过添加TiN、WC、Mo2C和TaC等，可以适当降低TiC的含量并扩大TiC基金陶瓷切削工具的应用范围，现有技术都是以TiN、WC、Mo2C、TaC等的纯净碳化物形式添加，而TiN、WC、Mo2C、TaC等以固溶体形式(W，Ti，Ta，Mo)CN的形式加入效果更好，产品质量更稳定。添加分散相固溶体可使生产出来的材料金相组织更加均匀，硬质相的相结构得到改善，材料的韧性都有大幅提升，硬质相的添加量大于30％才会有效果，要想获得更好的性能加入比例要大于50％，以便形成连续网状结构。本专利技术实施例所采用的添加剂硬质相固溶体和分散相固溶体为固溶体形式，制备硬质合金时只需将两种固溶体与粘接相混合即可。而现有技术中，添加剂通常为多种不同的碳化物或氮化物合金粉末，在制备时，需要分别加入不同的碳化物或氮化物合金粉末添加剂，如TiC粉末、TaC粉末、ZrC粉末等，然而，分别加入各种不同的添加剂，一方面，针对不同的添加剂需要分开称重，而多次称重会导致误差的积累，最终影响添加剂总量的准确度；另一方面，各种添加剂的纯度不同，加入多种添加剂，难以控制最终产品的纯度，易使最终产品中含有较多的杂质。而本专利技术实施例的添加剂为两种固溶体的形式，可以根据金属陶瓷的性能需求，将需要添加的各种元素提前制备成固溶体，在制备硬质合金时只需要添加固溶体一种物质即可，避免了多次称量会产生的误差以及各种不同添加剂可能带入的杂质。优选地，分散相的添加量大于30％才会有效果。进一步优选地，分散相的添加量大于50％，以便形成连续的组织结构。优选地，所述粘接相为Co粉与Ni粉按质量比为(1～2)：1的混合物。进一步优选地，所述Co粉的平均粒径为0.8～1.5μm。更进一步优选地，所述Co粉的平均粒径为1.0μm。进一步优选地，所述Ni粉的平均粒径为0.5～1.5μm。更进一步优选地，所述Ni粉的平均粒径为0.8μm。优选地，所述硬质相的平均粒径为1～2μm。优选地，所述(Ti、W、M)CN固溶体中Ti、W和M的摩尔百分比为：W：15～30mol％，M：3～15mol％，余量为Ti。优选地，所述分散相固溶体粉末的粒度应控制在2～3μm。优选地，所述(Ti，Ta，Nb，Mo)CN固溶体中，包括以下质量百分比计的组分：TiN：10～30％TaC：10～20％NbC：10～20％Mo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳氮化物基金属陶瓷，其特征在于，包括以下重量份计的组分：/n粘接相10～30份，/n硬质相10～30份，/n分散相30～70份，/n所述硬质相为(Ti、W、M)CN固溶体，其中M为Hf、Zr和V中的至少一种；/n所述分散相为(Ti，Ta，Nb，Mo)CN固溶体。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳氮化物基金属陶瓷，其特征在于，包括以下重量份计的组分：
粘接相10～30份，
硬质相10～30份，
分散相30～70份，
所述硬质相为(Ti、W、M)CN固溶体，其中M为Hf、Zr和V中的至少一种；
所述分散相为(Ti，Ta，Nb，Mo)CN固溶体。


2.根据权利要求1所述的碳氮化物基金属陶瓷，其特征在于，所述粘接相为Co粉与Ni粉按质量比为(1～2)：1的混合物。


3.根据权利要求2所述的碳氮化物基金属陶瓷，其特征在于，所述Co粉的平均粒径为0.8～1.5μm。


4.根据权利要求2所述的碳氮化物基金属陶瓷，其特征在于，所述Ni粉的平均粒径为0.5～1.5μm。


5.根据权利要求1所述的碳氮化物基金属陶瓷，其特征在于，所述(Ti、W、M)CN固溶体中Ti、W和M的摩尔百分比为：
W：15～30mol％，
M：3～15mol％，
余量为Ti。


6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟，
申请(专利权)人：长沙众鑫达工具有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43