一种用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于高熵陶瓷材料技术领域，公开一种用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷及其制备方法和应用。该复合陶瓷包括高熵碳氮化物相(Ti

【技术实现步骤摘要】
一种用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高熵陶瓷材料
，更具体地，涉及一种用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]高熵材料是一种新型的陶瓷材料，因该种材料特有的“高熵效应”，使得它相较于其组成的单相物质，具有更高的硬度，熔点，弹性模量，化学稳定性，以及更稳定的高温力学性能。目前，包括高熵氧化物，高熵碳化物，高熵硼化物等多种多样的高熵陶瓷材料均被研究人员设计并制造出来。其中，高熵碳氮化物是学者们在高熵碳化物的研究基础上，参考碳化钛(TiC)改良为碳氮化钛(TiCN)材料的研究思路，基于阴离子组元设计并制造出来的新型高熵陶瓷材料。相较于高熵碳化物材料，氮元素的引入提高了材料的构型熵与高熵材料体系的稳定性，进而提升材料的力学性能、高温物理化学稳定性与抗摩擦磨损性能。以上的优异性能，使得高熵碳氮化物有望作为一种切削刀具，实现对诸如灰铸铁、球墨铸铁等高硬度、高切削温度、容易发生粘结材料的高速、长寿命切削。然而，纯相的高熵碳氮化物材料由于其本征的脆性，难以直接作为切削刀具的材料。因此，目前亟需设计并开发适用于切削刀具的高熵碳氮化物材料配方，寻找一种能较好地改善高熵碳氮化物本征脆性，同时能较好地适配高熵基体的第二相材料，并获得一种高性能的高熵碳氮化物陶瓷刀具。

技术实现思路

[0003]为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本专利技术首要目的在于提供一种用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷，该高熵碳氮化物/金属复合陶瓷以组分为(Ti
0.2
Ta
0.2
Nb
0.2
Mo
0.2
W
0.2
)C
x
N1‑
x
(0.5≤x≤0.9)的高熵碳氮化物作为主相，并加入少量的金属粉作为第二相，其具有良好的硬度、韧性和优异的摩擦磨损性能与物理化学稳定性。
[0004]本专利技术的另一目的在于提供上述高熵碳氮化物/金属复合陶瓷的制备方法。
[0005]本专利技术的再一目的在于提供上述高熵碳氮化物/金属复合陶瓷的应用。该金属
‑
高熵碳氮化物复合陶瓷可用作切削刀具，应用与高速切削灰铸铁、球墨铸铁。
[0006]本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：
[0007]一种用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷，所述复合陶瓷包括高熵碳氮化物相(Ti
0.2
Ta
0.2
Nb
0.2
Mo
0.2
W
0.2
)C
x
N1‑
x
(0.5≤x≤0.9)和金属增强相；所述复合陶瓷是先将TiO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO3、WO3和碳黑，在氮气气氛下1600～1800℃经无压烧结进行碳热
‑
氮气还原反应制得高熵碳氮化物粉体；然后将高熵碳氮化物粉体与金属粉进行球磨混合，真空环境下在1400～1500℃放电等离子烧结制得。
[0008]优选地，金属粉为钴粉、镍粉、钨粉或钼粉。
[0009]优选地，所述TiO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO3、WO3与碳黑的摩尔比为2:1:1:2:2:(31～34)；所述金属粉为高熵氮化物粉体和金属粉混合粉体的2.5～7.5Vol％。
[0010]优选地，所述的复合陶瓷的致密度为98％以上，维氏硬度为22～26GPa，断裂韧性为6～8MPa
·
m
1/2
。
[0011]优选地，所述TiO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO3、WO3的粉体粒径均为0.5～2μm，纯度均大于99.5％；碳黑的粒径为100～400nm，纯度大于99.9％；金属粉的粒径为1～5μm，纯度大于99％。
[0012]优选地，所述球磨为辊式球磨，是以无水乙醇为溶剂，以碳化钨球为球磨介质，所述球磨的转速为150～500r/min，所述球磨的时间为8～24h。
[0013]优选地，所述无压烧结的升温速率为5～10℃/min；所述烧结的时间为1～2h；在加热至600℃后充入氮气，保持炉内氮气气压为1atm至烧结炉降温至室温；所述放电等离子烧结的升温速率为50～200℃/min；所述烧结的时间为10～20min。
[0014]所述的用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷的制备方法，包括以下具体步骤：
[0015]S1.以无水乙醇为溶剂，以碳化钨球为球磨介质，将微米级TiO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO3、WO3与纳米级的碳黑粉体进行球磨混合后干燥，得到混合粉体；
[0016]S2.将混合粉体放入真空烧结炉中，在1atm的氮气气氛、1600～1800℃进行碳热
‑
氮气还原反应，得到高熵碳氮化物粉体；
[0017]S3.以无水乙醇为溶剂，以碳化钨球为球磨介质，将碳高熵碳氮化物粉体和金属粉进行球磨混合后干燥，得到高熵碳氮化物
‑
金属混合粉体；
[0018]S4.然后将金属
‑
高熵碳氮化物混合粉体装入石墨模具中，在真空条件下，加压30～40MPa，在1400～1500℃进行放电等离子烧结，制得高熵碳氮化物/金属复合陶瓷。
[0019]所述的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷在制备切削刀具、高速切削灰铸铁或球墨铸铁中的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]1.本专利技术通过向高熵碳氮化物陶瓷中添加过渡金属作为第二相，仅需少量加入金属粉即可大幅降低复合陶瓷的致密烧结温度，在维持了高熵碳氮化物陶瓷良好的硬度与摩擦磨损性能，有效改善陶瓷材料脆性。该高熵碳氮化物/金属复合陶瓷的致密度为98％以上，维氏硬度为22～26GPa，断裂韧性为6～8MPa
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。该金属
‑
高熵碳氮化物复合陶瓷可制备可转位切削刀具应用于灰铸铁、球墨铸铁等高硬度材料的连续切削。
[0022]2.本专利技术通过高熵碳氮化物陶瓷的配方进行有针对性的设计，组元中包含W，Mo等提高材料基体硬度的元素，并且结合金属相降低材料的致密烧结温度，在SPS快速烧结的辅助下，材料内部得以析出硬度高、粒径较小与分布均匀的WC
‑
Me(Me为Co，Ni，W或Mo)硬质合金相，有效提高了金属
‑
高熵碳氮化物复合陶瓷刀具的切削寿命，与常见的Ti(C,N)金属陶瓷刀具相比有较为明显的优势。
附图说明
[0023]图1为实施例1碳热
‑
氮气还原反应后高熵碳氮化物粉体的XRD谱图。
[0024]图2为实施例1高熵碳氮化物/钴复合陶瓷的XRD谱图。
[0025]图3为实施例1高熵碳氮化物/钴复合陶瓷抛光面SEM照片与在深色点位和浅色点位的EDS能谱元素扫描图。
[0026]图4为实施例1的高熵碳氮化物/钴复合陶瓷刀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷，其特征在于，所述复合陶瓷包括高熵碳氮化物相(Ti
0.2
Ta
0.2
Nb
0.2
Mo
0.2
W
0.2
)C
x
N1‑
x
，0.5≤x≤0.9和金属增强相；所述复合陶瓷是先将TiO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO3、WO3和碳黑，在氮气气氛下1600～1800℃经无压烧结进行碳热
‑
氮气还原反应制得高熵碳氮化物粉体；然后将高熵碳氮化物粉体与金属粉进行球磨混合，真空环境下在1400～1500℃放电等离子烧结制得。2.根据权利要求1所述的用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷，其特征在于，金属粉为钴粉、镍粉、钨粉或钼粉。3.根据权利要求1所述的用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷，其特征在于，所述TiO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO3、WO3与碳黑的摩尔比为2:1:1:2:2:(31～34)；所述金属粉为高熵氮化物粉体和金属粉混合粉体的2.5～7.5Vol％。4.根据权利要求1所述的用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷，其特征在于，所述的复合陶瓷的致密度为98％以上，维氏硬度为22～26GPa，断裂韧性为6～8MPa
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。5.根据权利要求1所述的用于刀具的高熵碳氮化物/金属复合陶瓷，其特征在于，所述TiO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO3、WO3的粉体粒径均为0.5～2μm，纯度均大于99.5％；碳黑的粒径为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟明，周宇章，罗嗣春，林华泰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：