一种Ti(C,N)基硬质合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于复合材料技术领域，涉及一种Ti(C,N)基硬质合金材料及其制备方法，其化学成分的质量百分比为：TiN

A Ti (C, n) - based cemented carbide material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种Ti(C,N)基硬质合金材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料领域，特别涉及一种Ti(C,N)基硬质合金材料及其制备方法。
技术介绍
随着Ti(C,N)基硬质合金在相关产业应用的不断发展，对其性能的要求越来越高，故开发出同时具有高硬度和高韧性的新型Ti(C,N)基硬质合金显得非常重要。近年来，高熵合金(HEA)由于性能优异而被人们广泛研究。多种主元组成的HEA因具有高熵效应、晶格畸变效应、迟缓扩散效应和鸡尾酒效应等一系列特性，使其具有优异的物理、化学及力学性能，如高强度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高的低温韧性等，因此可以解决硬质合金硬度高而韧性不足，或者即使满足了高硬度与高韧性的问题，又不能实现高温下的抗氧化或耐腐蚀等问题。朱刚等采用真空烧结制备了Ti(C0.7N0.3)-WC-Mo2C-TaC-AlCoCrFeNi体系金属陶瓷。研究了该金属陶瓷在烧结过程中的微观结构形成和相转变规律。研究结果表明，AlCoCrFeNi高熵合金粘结相的引入一方面延长了WC扩散固溶形成(W,M)C环形相的过程，抑制了灰色外环相的生长，使得组织中几乎很难观察到连续分布的外环相。另一方面在烧结的初期阶段，组织中形成了大量的M6C型η相，并且含量随着温度的升高而减少，在1350℃之后η相逐渐溶解消失。[朱刚,谢明,陈家林,etal.Ti(C,N)/AlCoCrFeNi基金属陶瓷烧结过程中的微观结构和相变[J].材料科学与工程学报,2016(3):353-356.]朱刚等还研究了Ti(C,N)/AlCoCrFeNi金属陶瓷烧结过程中粘结相的表面富集行为。其结果表明，在1300℃下烧结60min后，合金烧结体表面发生了明显的富集，并形成了第三相，即类似M6C结构的缺碳相(η)。[朱刚,陈家林,贾海龙,etal.Ti(C,N)/AlCoCrFeNi金属陶瓷烧结过程中的粘结相表面富集行为研究[J].材料导报,2017(16).]，但以上研究并没有明确指出高熵合金结合的Ti(C,N)基硬质合金的力学性能。杨梅等采用微波烧结制备了Ti(C,N)/CoNiFeCuMnx(x＝0.3～1)硬质合金，提高了Ti(C,N)硬质合金性能。[杨梅；韩冰；龙剑平.一种高熵合金粘结相Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法.CN109022990A.成都理工大学.2018.12.18。]刘颖等采用低压烧结，以高熵合金为粘结剂，以碳化物和碳氮化钛固溶体为硬质相制备了碳氮化钛基硬质合金。[刘颖；叶金文；张豪.基于高熵合金粘结相的碳氮化钛基金属陶瓷及其制备方法.CN102787266A.四川大学.2012.11.21。]。以上研究中，仅利用高熵合金和正常化学计量比碳化物，对提升Ti(C,N)基硬质合金性能、降低烧结温度的作用有限。
技术实现思路
针对此问题，本专利技术将高熵合金、非化学计量比化合物TiNx(x＝0.3～0.9或x＝1.1～1.3)和强共价键化合物AlN与TiC混合烧结。利用非化学计量比化合物在烧结过程中具有良好的传质能力，以及AlN非常高的强度和硬度，大幅提高了Ti(C,N)基硬质合金的力学性能，并降低了Ti(C,N)基硬质合金烧结温度。本专利技术提供一种Ti(C,N)基硬质合金材料及其制备方法。本专利技术将CoCrNiCuFe0.5Mn取代Co、Ni、Fe等金属用作Ti(C,N)基硬质合金的粘结剂，以TiC和非化学计量比TiNx(x＝0.3～0.9或x＝1.1～1.3)为硬质相，以AlN为增强相，采用真空热压烧结的方法制备了一种Ti(C,N)基硬质合金。旨在降低Ti(C,N)基硬质合金的烧结温度和生产成本，提高其综合性能。本专利技术采用的技术手段如下：一种Ti(C,N)基硬质合金材料，其化学成分的质量百分比为：TiNx：20～40wt.％，其中x＝0.3～0.9或x＝1.1～1.3；CoCrNiCuFe0.5Mn：10～30wt.％；AlN：5～15wt.％；其余为TiC。进一步地，TiC粉末的粒径为150nm以细；进一步地，TiNx粉末的粒径为150nm以细；进一步地，CoCrNiCuFe0.5Mn粉末的粒径为150nm以细；进一步地，AlN粉末的粒径为150nm以细。本专利技术还公开了一种Ti(C,N)基硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将TiC粉末进行球磨细化，球、料质量比为10:1～20:1，转速为250～400r/min，球磨10～40h，每转1h停机10min进行散热，制得150nm以细的TiC粉末；S2、在充满氩气的手套箱中将Ti粉和CH4N2O混合装入WC硬质合金球磨罐中球磨，球、料质量比为10:1～20:1，转速为200～450r/min，球磨时间为30～60h，每2h停机30min散热，制得150nm以细的TiNx粉末，其中x＝0.3～0.9或x＝1.1～1.3；S3、在充满氩气的手套箱中将Co、Cr、Ni、Cu、Fe、Mn按2:2:2:2:1:2摩尔比混合装入WC硬质合金球磨罐中，球、料质量比为10:1～20:1，转速为200～400r/min，球磨时间为20～50h，每转2h停机30min散热，每10h停机把粘到磨球及罐内壁的原料刮掉混匀后继续球磨，制得150nm以细的CoCrNiCuFe0.5Mn粉末；S4、将AlN粉末进行球磨细化，球、料质量比为10:1～20:1，转速为250～400r/min，球磨时间为10～40h，每转1h停机10min进行散热，制得150nm以细的AlN粉末。S5、在充满氩气的手套箱中，称取质量百分比为20～40wt.％由步骤S2制备的TiNx粉末，称取取质量百分比为10～30wt.％由步骤S3制备的CoCrNiCuFe0.5Mn粉末，称取质量百分比为5～15wt.％由步骤S4制备的150nm以细的AlN粉末，一起加入由步骤S1制备的150nm以细的TiC粉末中，球、料质量比为6:1～10:1，转速为200～350r/min，球磨时间为1～3h，每转1h停机10min进行散热，制得混合料；将混合料装入石墨模具中预压，预压压力为10～40MPa，预压15～60S。然后进行真空热压烧结，得到毛坯，并将制备的毛坯进行表面磨削、去毛刺处理得到Ti(C,N)基硬质合金材料。进一步地，在所述步骤S2中，所述的Ti粉和CH4N2O按照摩尔比为6:1或5:1或4:1或10:3或20:7或5:2或20:9或20:11或5:3或20:13混合装入球磨罐中。进一步地，在所述步骤S1中，所述TiC粉末的粒径为1～3μm，纯度为＞99％。进一步地，在所述步骤S2中，所述Ti粉末的粒径为＜30μm，纯度为＞99.36％；所述CH4N2O的纯度为分析纯＞99％。进一步地，在所述步骤S3中，所述Co、Cr、Ni、Cu、Fe、Mn粉末纯度均＞99％，其中，Co粉末粒径为1～3μm，Cr粉末粒径为＜75μm，Ni、Cu、Fe、Mn粉末粒径为＜45μm。进一步地，在所述步骤S4中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ti(C,N)基硬质合金材料，其特征在于：其化学成分的质量百分比为：/nTiN

【技术特征摘要】
1.一种Ti(C,N)基硬质合金材料，其特征在于：其化学成分的质量百分比为：
TiNx：20～40wt.％，其中x＝0.3～0.9或x＝1.1～1.3；
CoCrNiCuFe0.5Mn：10～30wt.％；
AlN：5～15wt.％；
其余为TiC。


2.根据权利要求1所述的一种Ti(C,N)基硬质合金材料，其特征在于：
TiC粉末的粒径为150nm以细；
TiNx粉末的粒径为150nm以细；
CoCrNiCuFe0.5Mn粉末的粒径为150nm以细；
AlN粉末的粒径为150nm以细。


3.一种Ti(C,N)基硬质合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将TiC粉末进行球磨细化，球、料质量比为10:1～20:1，转速为250～400r/min，球磨10～40h，每转1h停机10min进行散热，制得150nm以细的TiC粉末；
S2、在充满氩气的手套箱中将Ti粉和CH4N2O混合装入WC硬质合金球磨罐中球磨，球、料质量比为10:1～20:1，转速为200～450r/min，球磨时间为30～60h，每2h停机30min散热，制得150nm以细的TiNx粉末，其中x＝0.3～0.9或x＝1.1～1.3；
S3、在充满氩气的手套箱中将Co、Cr、Ni、Cu、Fe、Mn按2:2:2:2:1:2摩尔比混合装入WC硬质合金球磨罐中，球、料质量比为10:1～20:1，转速为200～400r/min，球磨时间为20～50h，每转2h停机30min散热，每10h停机把粘到磨球及罐内壁的原料刮掉混匀后继续球磨，制得150nm以细的CoCrNiCuFe0.5Mn粉末；
S4、将AlN粉末进行球磨细化，球、料质量比为10:1～20:1，转速为250～400r/min，球磨时间为10～40h，每转1h停机10min进行散热，制得150nm以细的AlN粉末；
S5、在充满氩气的手套箱中，称取质量百分比为20～40wt.％由步骤S2制备的TiNx粉末，称取取质量百分比为10～30wt.％由步骤S3制备的CoCrNiCuFe0.5Mn粉末，称取质量百分比为5～15wt.％由步骤S4制备的150nm以细的AlN粉末，一起加入由步骤S1制备的150nm以细的TiC粉末中，球、料质量比为6:1～10:1，转速为200～350r/mi...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹芹，李艳国，王明智，赵玉成，李晓普，熊建超，邹娟，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13