一种碳氮化钛基金属陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳氮化钛基金属陶瓷材料及其制备方法，属于金属陶瓷材料技术领域。碳氮化钛基金属陶瓷材料包含金属粘结相和陶瓷相；陶瓷相中包含硬质颗粒，硬质颗粒以Ti(C,N)颗粒为核，(Ti,Me)C固溶体为壳，其中，Me包括W和Mo，金属粘结相包括Co、Ni和稀土。该碳氮化钛基金属陶瓷材料由包括Ti(C,N)及WC、Mo2C以及Co、Ni和稀土在内的粉末原料通过粉末冶金方法得到，该方法很好地解决了碳氮化钛烧结过程中脱氮的技术问题，能够提升生产效率和产品稳定性，且操作简单、成本低，有利于批量生产，且制备碳氮化钛基金属陶瓷材料具有较高硬度、强度和优异耐磨性，是作为刀具、结构件的理想材料。料。

【技术实现步骤摘要】
一种碳氮化钛基金属陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种金属陶瓷材料，具体涉及一种具有高硬度、高强度和优异耐磨性能的碳氮化钛基金属陶瓷材料，还涉及其制备方法，属于金属陶瓷材料


技术介绍

[0002]碳氮化钛基金属陶瓷是由碳氮化钛及其他碳化物为硬质相，钴、镍为粘结相的复合材料，其具有高强度、高硬度、杰出的耐磨性能及优秀的化学稳定性，被广泛运用于刀具、耐高温、耐腐蚀结构件等领域。同传统碳化钨硬质合金材料相比较，碳氮化钛基金属陶瓷材料具有更出色的耐磨性及化学稳定性，其在高温下具有更高的高温硬度和抗氧化性能，也赋予了其更优异的高温性能。此外，碳氮化钛基金属陶瓷主要依靠我国的优势资源钛资源，减少了对战略稀缺资源钨资源的消耗，为潜力巨大的刀具、结构件材料。在日本及欧美等国，金属陶瓷刀具的应用量占到了刀具总量的20％～35％，但在我国的应用量还很低，这归因于其高的制备难度及不稳定的材料性能。
[0003]在高性能碳氮化钛基金属陶瓷的制备中，氮元素控制是至关重要的环节。在过去的金属陶瓷研究中，研究者发现液相烧结过程中当碳氮化钛与液相金属接触时，氮元素会产生严重的脱出。氮元素的缺失一方面造成了碳氮化钛与金属相间的结合力的降低，另一方面也在材料中产生了微量的气孔，氮元素的不均匀分布带来了材料性能的不稳定性。为解决碳氮化钛与液态金属接触脱氮的问题，业界常通过添加碳化物添加剂的形式，在液相碳氮化钛颗粒周围形成固溶体壳相作为过渡相，避免碳氮化钛与液态金属直接接触，从而避免烧结脱氮。但在大量的研究及生产中，发现添加碳化物添加剂后，外加碳化物在与碳氮化钛扩散生成固溶体的过程中，外加的碳元素取代了氮元素，在固相反应过程中仍然出现了严重的脱氮现象。
[0004]碳氮化钛基金属陶瓷为极具潜力的工具材料，但由于氮元素难以控制，材料强度及韧性不稳定，难以得到高性能、高稳定性的碳氮化钛基金属陶瓷，这些因素制约着碳氮化钛基金属陶瓷在我国广泛应用的可能性，亟待找到一种能够避免烧结脱氮，得到高性能、高稳定性碳氮化钛基金属陶瓷的方法。

技术实现思路

[0005]针对目前在烧结过程中固溶体形成和液相扩散中产生的脱氮现象，而导致制备金属陶瓷成分和性能稳定性欠佳等技术问题，本专利技术的第一个目的是在于提供一种具有较高硬度和强度以及优异耐磨性能的碳氮化钛基金属陶瓷材料，是作为刀具、结构件的理想材料。
[0006]本专利技术的第二个目的是在于提供一种碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，该制备方法很好地解决了碳氮化钛烧结过程中脱氮的技术问题，能够提升生产效率和产品稳定性，且操作简单、成本低，有利于批量生产。
[0007]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种碳氮化钛基金属陶瓷材料，所述碳氮
化钛基金属陶瓷材料包含金属粘结相和陶瓷相；所述陶瓷相中包含硬质颗粒，所述硬质颗粒以Ti(C,N)颗粒为核，(Ti,Me)C固溶体为壳，其中，Me包括W和Mo；所述金属粘结相包括Co、Ni和稀土。
[0008]本专利技术的碳氮化钛基金属陶瓷材料中陶瓷相包含了以Ti(C,N)颗粒为核，(Ti,Me)C固溶体为壳的硬质颗粒，且硬质颗粒与镍钴等金属粘结相结合性较好，保证了金属陶瓷材料具有较高的硬度和耐磨性，而金属粘结相主要由镍、钴和少量稀土组成，其中钴具有良好的润湿性能够保证金属粘结相与陶瓷相之间的结合强度，而钴镍的合金化能够赋予金属陶瓷材料较好的强度及抗氧化性，同时稀土单质元素可以结合氧形成氧化物在粘结相中起到强化作用，从而获得具有较高硬度、强度和耐磨性的高性能碳氮化钛基金属陶瓷材料。
[0009]作为一个优选的方案，所述金属粘结相的质量占比为4～15％；所述陶瓷相的质量占比为85～96％。
[0010]作为一个较优选的方案，所述金属粘结相由Co、Ni和稀土按照质量百分比50～70％:25～45％:1～5％组成。金属粘结相包括Co，Ni及稀土元素单质。所述稀土元素单质包括镧、铈、钇中的一种或多种。本专利技术的碳氮化钛基金属陶瓷材料的金属粘结相主要由镍、钴和少量稀土组成，其中钴具有良好的润湿性能够保证金属粘结相与陶瓷相在短时间烧结中的结合强度，而钴镍的合金化研究中表明有利于提高陶瓷材料的强度及抗氧化性，而稀土单质元素则是弥补快速烧结过程中难以脱除氧元素的缺陷，与氧元素结合，避免缺陷产生，同时产生的氧化物在粘结相中起到强化作用。
[0011]作为一个较优选的方案，所述陶瓷相包括以下质量百分比组分：WC 2～3％，Mo2C 1～2％，TaC、NbC、VC和Cr3C
2 0.2～0.5％，余量为Ti(C,N)。TaC和NbC的加入有利于提升金属陶瓷材料的高温硬度和高温强度，VC和Cr3C2的加入有利于限制晶粒生长，控制脆性壳相厚度，提升金属陶瓷材料的韧性，这些金属碳化物可以根据不同工况和成本问题选择性地添加，效果会更好。
[0012]作为一个较优选的方案，所述陶瓷相中W、Mo、Ta、Nb、V和Cr的原子数量之和占金属元素原子总数量的2～5％，其余金属元素为钛。陶瓷相中的W、Mo、Ta、Nb、V和Cr等合金元素的含量如果过高，则容易导致碳氮化钛颗粒表面产生过厚的壳相或者生成以其他陶瓷相为核心的颗粒，导致陶瓷材料的耐磨性能下降；而合金元素含量如果过低，将会导致碳氮化钛颗粒表面包覆的壳相不完整，仍然在烧结中会产生脱氮。
[0013]作为一个优选的方案，所述硬质颗粒中Ti(C,N)核相的粒度大于5μm，(Ti,Me)C固溶体壳的厚度为0.5～1μm。(Ti,Me)C固溶体壳相的厚度过厚，则会影响金属陶瓷材料的耐磨性能，如果厚度过薄，则不利后续的烧结过程，使得烧结过程易于导致材料产生缺陷。
[0014]本专利技术的碳氮化钛基金属陶瓷材料中(Ti,Me)C固溶体中Me主要包括W和Mo两种金属元素，同时还可以包括Ta、Nb、V、Cr等金属元素中的一种或多种。
[0015]本专利技术还提供了一种高性能、高稳定性的碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，其包括以下步骤：
[0016]1)将包含WC和Mo2C在内的粉末进行破碎和混合，再与Ti(C,N)粉末混合后，进行真空烧结，得到预处理陶瓷相粉末；
[0017]2)将预处理陶瓷相粉末与包括Co、Ni和稀土在内的粉末依次进行混合、压制成型和中频烧结，即得碳氮化钛基金属陶瓷材料。
[0018]本专利技术提供的高性能碳氮化钛基金属陶瓷关键在于采用预固溶处理方式结合中频烧结方式来制备，先采用预固溶处理方式在Ti(C,N)粉末表面原位生成均匀的固溶体壳相，形成的固溶体壳相能够有效避免后续烧结过程中的脱氮，再将具有核壳结构的硬质颗粒与金属粘结相粉末混合并采用中频烧结方式进行快速烧结，中频烧结过程一方面可以避免烧结过程中碳氮化钛直接和金属接触造成剧烈脱氮，另一方面能够避免烧结固相扩散形成固溶体过程中产生大量脱氮，还能够在保证材料高性能的同时，提升生产效率，最终得到高性能、高稳定性的碳氮化钛基金属陶瓷材料。
[0019]作为一个优选的方案，Ti(C,N)的粉末平均粒径大于6μm。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：所述碳氮化钛基金属陶瓷材料包含金属粘结相和陶瓷相；所述陶瓷相中包含硬质颗粒，所述硬质颗粒以Ti(C,N)颗粒为核，(Ti,Me)C固溶体为壳，其中，Me包括W和Mo；所述金属粘结相包括Co、Ni和稀土。2.根据权利要求1所述的一种碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：所述金属粘结相的质量占比为4～15％；所述陶瓷相的质量占比为85～96％。3.根据权利要求1或2所述的一种高性能碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：所述金属粘结相由Co、Ni和稀土按照质量百分比50～70％:25～45％:1～5％组成；所述陶瓷相包括以下质量百分比组分：WC 2～3％，Mo2C 1～2％，TaC、NbC、VC和Cr3C
2 0.2～0.5％，余量为Ti(C,N)。4.根据权利要求3所述的一种碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：所述陶瓷相中W、Mo、Ta、Nb、V和Cr的原子数量之和占金属元素原子总数量的2～5％。5.根据权利要求1所述的一种碳氮化钛基金属陶瓷材料，其特征在于：所述硬质颗粒中Ti(C,N)核相的粒度大于5μm，(Ti,Me)C固溶体壳的厚度为0.5～1μm。6.权利要求1～5任一项所述的一种碳氮化钛基金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将包含WC和Mo2C在内的...

【专利技术属性】
技术研发人员：康希越，陈帅鹏，冯路利，袁紫仁，谢丰伟，
申请(专利权)人：长沙市萨普新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：