一種超細(xì)晶粒Ti(C,N)金屬陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及新材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種超細(xì)晶粒Ti(C,N)金屬陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)
[0002] Ti(C,N)基金屬陶瓷具有較傳統(tǒng)硬質(zhì)
合金更優(yōu)異的高溫性能，
耐磨性能和化學(xué)
穩(wěn)定性能，同時還能節(jié)約大量戰(zhàn)略“鎢”“鈷”資源。然而，強韌性不足是Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料在實際工程應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵難題，也是當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。中國
專利201110138346.4通過氣氛
燒結(jié)制備了無鎢鈷Ti(C,N)基金屬陶瓷，大大降低了生產(chǎn)成本，然而，較低的強韌性(抗彎強度≤1800，
斷裂韌性≤9.5)也極大的限制了其應(yīng)用。中國專利
201210321098.1利用高熵合金作為粘結(jié)相制備了金屬陶瓷，但其無法同時滿足“雙高”(高強韌性、高硬度)的要求，導(dǎo)致該材料在應(yīng)用領(lǐng)域受到極大限制。
[0003] 目前金屬陶瓷是以Ti(C,N)或TiC與TiN的混合粉末為硬質(zhì)相，以Ni、Co、Mo等為粘結(jié)相，且通常還加入WC、Mo2C、TaC、NbC、Cr2C3、VC等過渡族金屬
碳化物來改善并提高材料的燒結(jié)和機械性能，這些都不能改變單一主元素的局限性。中國專利200610034982.1以多元高熵合金粉末粘結(jié)相復(fù)合數(shù)種碳化物燒結(jié)，制備了具有高耐熱性的硬質(zhì)合金，但該產(chǎn)品還是無法滿足現(xiàn)有需求，尤其是無法滿足同時具備高強、高韌、高硬度的要求。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 本發(fā)明是為了解決
現(xiàn)有技術(shù)中Ti(C,N)基金屬陶瓷強韌性較低，無法滿足“雙高”且性能不穩(wěn)定等問題，提供一種高強韌性、高硬度超細(xì)晶粒Ti(C,N)金屬陶瓷材料及其制備方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：
[0006] 技術(shù)方案一：
[0007] 本發(fā)明提供一種種超細(xì)晶粒Ti(C,N)金屬陶瓷材料，按照重量份數(shù)計，包括以下原料：Ti(C,N)50-70份、TiN?2-4份、ZrC?3-5份、NbC?3-5份、Mo2C?2-6份、TaC?0.25-1.75份、Cr3C2?0.6-1份、VC?0.3-0.5份、Ni?3-7份、Co?3-7份。
[0008] 作為本發(fā)明的進一步改進，按照重量分?jǐn)?shù)計，Ti(C,N)為60份。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步改進，Ti(C,N)的粒度為0.5-0.6μm，TiN的粒度為0.5-0.6μm，ZrC的粒度為0.6-0.8μm，NbC的粒度為0.6-0.8μm，Mo2C的粒度為0.8-1μm，TaC的粒度為0.8-1.2μm，Cr3C2的粒度為0.8-1.2μm，VC的粒度為0.8-1.2μm，Ni的粒度為0.4-0.8μm,Co的粒度為0.4-0.8μm。
[0010] 技術(shù)方案二：
[0011] 本發(fā)明提供一種所述的超細(xì)晶粒Ti(C,N)金屬陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：根據(jù)原料重量份數(shù)準(zhǔn)確稱量各原料，經(jīng)過分散球磨、干燥
造粒、壓制、燒結(jié)制備而成所述超細(xì)晶粒Ti(C,N)金屬陶瓷材料。
[0012] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述分散球磨過程中球料
質(zhì)量比6:1，固液質(zhì)量比2:1，
溶劑為無
水乙醇，加入1-1.2wt.％PV成型劑，1.5wt.％水性分散劑，密封后
球磨機上球磨72h，球磨機轉(zhuǎn)速80-120r/min。
[0013] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述干燥制粒過程采用閉式
噴霧干燥設(shè)備。
[0014] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述干燥造粒的過程中進口
溫度180-200℃，出口溫度70-80℃，霧化盤轉(zhuǎn)速20000rpm/min，
蠕動泵供料速度100-120mL/min。
[0015] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述壓制過程為采用粉末
冶金冷模壓制成坯料。
[0016] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述燒結(jié)過程包括
真空燒結(jié)、氣壓燒結(jié)或HIP熱
等靜壓燒結(jié)。
[0017] 作為本發(fā)明的進一步改進，
[0018] (1)當(dāng)采用真空燒結(jié)時，燒結(jié)工藝如下：1500-1550℃保溫1.5-2h，保溫結(jié)束后，第一階段降溫，從燒
結(jié)溫度降低至1300℃區(qū)間的降溫速率15-20℃/min；第二階段降溫至700℃，平均降溫速率10℃/min；第三階段隨爐冷卻8-10h至室溫，獲得超細(xì)晶Ti(C,N)金屬陶瓷材料；
[0019] (2)當(dāng)采用氣壓燒結(jié)時，燒結(jié)工藝如下：1300℃真空燒結(jié)0.5h后，采用5MPa的Ar氣保護下1450-1500℃保溫1h，保溫結(jié)束后，保持與上述(1)中相同的降溫方式；
[0020] (3)當(dāng)采用HIP
熱等靜壓燒結(jié)時，燒結(jié)工藝如下：1400-1450℃保溫1-1.5h，保溫結(jié)束后，保持與上述(1)中相同的降溫方式。
[0021] 本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：
[0022] 本發(fā)明采用超細(xì)(d50≤600nm)Ti(C,N)粉體為主要基體材料，超細(xì)(d50≤800nm)高溫難熔碳化物粉體(TaC、NbC、ZrC、Mo2C)為增強增韌相，超細(xì)(d50≤1umm)VC粉和Cr3C2粉為
抑制劑，超細(xì)(d50≤1um)Ni份和Co粉為金屬粘結(jié)相，經(jīng)過分散球磨、干燥造粒、壓制、獨特的燒結(jié)工藝制備而成。本發(fā)明以Ti(C,N)作為主要基材，Ni粘結(jié)相提高韌性，Co金屬相提高硬度的同時提高韌性，Cr3C2和VC抑制劑抑制晶粒生產(chǎn)，ZrC提高韌性提高低溫?zé)Y(jié)效果，NbC降低燒結(jié)溫度提高材料的紅硬性，Mo2C良好的
潤濕性、均勻的細(xì)化晶粒，TiN增加材料的耐磨性，在整個材料體系的燒結(jié)中也起到補充氮
原子的作用。
[0023] 本發(fā)明制得的Ti(C,N)金屬陶瓷材料主相顯微組織晶粒尺寸均小于1um，相比于傳統(tǒng)Ti(C,N)金屬陶瓷材料具有更高的維氏硬度(16.5GPa)、抗彎強度(2200-2400MPa)，并兼顧該體系材料特有的韌性(9.5-10.4MPa·m1/2)。用于制造數(shù)控刀具或
母材可實現(xiàn)優(yōu)異的耐磨損性和平衡的抗崩損性，且生產(chǎn)成本低、可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、無污染，環(huán)境友好。
附圖說明
[0024] 為了更清楚地說明本發(fā)明
實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0025] 圖1為本發(fā)明實施例2制備超細(xì)晶粒Ti(C,N)金屬陶瓷材料的掃描
電子顯微鏡圖。
具體實施方式
[0026] 現(xiàn)詳細(xì)說明本發(fā)明的多種示例性實施方式，該詳細(xì)說明不應(yīng)認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，而應(yīng)理解為是對本發(fā)明的某些方面、特性和實施方案的更詳細(xì)的描述。
[0027] 應(yīng)理解本發(fā)明中所述的術(shù)語僅僅是為描述特別的實施方式，并非用于限制本發(fā)明。另外，對于本發(fā)明中的數(shù)值范圍，應(yīng)理解為還具體公開了該范圍的上限和下限之間的每個中間值。在任何陳述值或陳述范圍內(nèi)的中間值以及任何其他陳述值或在所述范圍內(nèi)的中間值之間的每個較小的范圍也包括在本發(fā)明內(nèi)。這些較小范圍的上限和下限可獨立地包括或排除在范圍內(nèi)。
[0028] 除非另有說明，否則本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有本發(fā)明所述領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)人員通常理解的相同含義。雖然本發(fā)明僅描述了優(yōu)選的方法和材料，但是在本發(fā)明的實施或測試中也可以使用與本文所述相似或等同的任何方法和材料。本
說明書中提到的所有文獻(xiàn)通過引用并入，用以公開和描述與所述文獻(xiàn)相關(guān)的方法和/或材料。在與任何并入的文獻(xiàn)沖突時，以本說明書的內(nèi)容為準(zhǔn)。
[0029] 在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可對本發(fā)明說明書的具體實施方式做多種改進和變化，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。由本發(fā)明的說明書得到的其他實施方式對技術(shù)人員而言是顯而易見得的。本
申請說明書和實施例僅是示例性的。
[0030] 實施例1
[0031] 本實施例超細(xì)粉體原料明細(xì)見表1。
[0032] 表1
[0033]
[0034] 將上述粉末原料按照表1中所示配比，稱重混合倒入球磨罐中，球料質(zhì)量比6:1，以固液質(zhì)量比2:1加入無水乙醇作為溶劑，加入1wt.％PV成型劑，1.5wt.％水性分散劑，密封后球磨機上球磨72h，球磨機轉(zhuǎn)速80r/min，獲得混合漿料；
[0035] 采用閉式噴霧干燥設(shè)備，進行噴霧干燥及造粒獲得流動性好的混合造粒粉，具體工作參數(shù)：進口溫度180℃，出口溫度70℃，霧化盤轉(zhuǎn)速20000rpm/min，
蠕動泵供料速度100mL/min；
[0036] 采用
粉末冶金冷模壓制成坯料后，采用真空燒結(jié)工藝進行燒結(jié)：1500℃保溫2h，保溫結(jié)束后，第一階段降溫，從燒結(jié)溫度降低至1300℃，降溫速率15℃/min；第二階段降溫至700℃，平均降溫速率10℃/min；第三階段隨爐冷卻10h至室溫，獲得超細(xì)晶Ti(C,N)金屬陶瓷材料。
[0037] 用粒度70um的金剛石
砂輪研磨燒結(jié)后的樣品，采用國標(biāo)的測試方法測得本實施例樣品性能如下：維氏硬度:16.0GPa(GB/T?7997-2014)，抗彎強度:2200MPa(GB/T?3851-1983)，斷裂韌性:9.5MPa·m1/2(GB/T?33819-2017)，孔隙度:A02B00C00(ISO?4499-42016)，結(jié)晶粒度小于1um。
[0038] 實施例2
[0039] 本實施例超細(xì)粉體原料明細(xì)見表2。
[0040] 表2
[0041]
[0042] 將上述粉末原料按照表2中所示配比，稱重混合倒入球磨罐中，球料質(zhì)量比6:1，以固液質(zhì)量比2:1加入無水乙醇作為溶劑，加入1.2wt.％PV成型劑，1.5wt.％水性分散劑，密封后球磨機上球磨72h，球磨機轉(zhuǎn)速100r/min，獲得混合漿料；
[0043] 采用閉式噴霧干燥設(shè)備，進行噴霧干燥及造粒獲得流動性好的混合造粒粉，具體工作參數(shù)：進口溫度190℃，出口溫度80℃，霧化盤轉(zhuǎn)速20000rpm/min，蠕動泵供料速度100mL/min；
[0044] 采用粉末冶金冷模壓制成坯料后，采用氣壓燒結(jié)工藝進行燒結(jié)：1300℃真空燒結(jié)0.5h后，采用5MPa的Ar氣保護下1450℃保溫1h，保溫結(jié)束后，第一階段降溫，從燒結(jié)溫度降低至1300℃，降溫速率15℃/min；第二階段降溫至700℃，平均降溫速率10℃/min；第三階段隨爐冷卻10h至室溫，獲得超細(xì)晶Ti(C,N)金屬陶瓷材料。
[0045] 用粒度70um的金剛石砂輪研磨燒結(jié)后的樣品，采用國標(biāo)的測試方法測得本實施例樣品性能如下：維氏硬度為16.5GPa(GB/T?7997-2014)，抗彎強度為2400MPa(GB/T?3851-1983)，斷裂韌性為10.4MPa·m1/2(GB/T?33819-2017)，孔隙度:A02B00C00(ISO?4499-
42016)，結(jié)晶粒度小于1um。本實施例制備的超細(xì)晶粒Ti(C,N)金屬陶瓷材料的掃描電子顯微鏡圖見圖1。
[0046] 實施例3
[0047] 本實施例超細(xì)粉體原料明細(xì)見表3。
[0048] 表3
[0049]
[0050] 將上述粉末原料按照表3中所示配比，稱重混合倒入球磨罐中，球料質(zhì)量比6:1，以固液質(zhì)量比2:1加入無水乙醇作為溶劑，加入1.2wt.％PV成型劑，1.5wt.％水性分散劑，密封后球磨機上球磨72h，球磨機轉(zhuǎn)速120r/min，獲得混合漿料；
[0051] 采用閉式噴霧干燥設(shè)備，進行噴霧干燥及造粒獲得流動性好的混合造粒粉，具體工作參數(shù)：進口溫度200℃，出口溫度80℃，霧化盤轉(zhuǎn)速20000rpm/min，蠕動泵供料速度110mL/min；
[0052] 采用粉末冶金冷模壓制成坯料后，熱等靜壓燒結(jié)(HIP):1400℃保溫1.5h，保溫結(jié)束后，第一階段降溫，從燒結(jié)溫度降低至1300℃，降溫速率15℃/min；第二階段降溫至700℃，平均降溫速率10℃/min；第三階段隨爐冷卻10h至室溫，獲得超細(xì)晶Ti(C,N)金屬陶瓷材料。
[0053] 用粒度70um的金剛石砂輪研磨燒結(jié)后的樣品，采用國標(biāo)的測試方法測得本實施例樣品性能如下：維氏硬度:16.2GPa(GB/T?7997-2014)，抗彎強度:2300MPa(GB/T?3851-1983)，斷裂韌性:10.2MPa·m1/2(GB/T?33819-2017)，孔隙度:A02B00C00(ISO?4499-
42016)，結(jié)晶粒度小于1um。
[0054] 實施例4
[0055] 本實施例超細(xì)粉體原料明細(xì)見表4。
[0056] 表4
[0057]
[0058]
[0059] 將上述粉末原料按照表4中所示配比，稱重混合倒入球磨罐中，球料質(zhì)量比6:1，以固液質(zhì)量比2:1加入無水乙醇作為溶劑，加入1.1wt.％PV成型劑，1.5wt.％水性分散劑，密封后球磨機上球磨72h，球磨機轉(zhuǎn)速120r/min，獲得混合漿料；
[0060] 采用閉式噴霧干燥設(shè)備，進行噴霧干燥及造粒獲得流動性好的混合造粒粉，具體工作參數(shù)：進口溫度200℃，出口溫度75℃，霧化盤轉(zhuǎn)速20000rpm/min，蠕動泵供料速度120mL/min；
[0061] 采用粉末冶金冷模壓制成坯料后，采用真空燒結(jié)工藝進行燒結(jié)：1550℃保溫2h，保溫結(jié)束后，第一階段降溫，從燒結(jié)溫度降低至1300℃，降溫速率20℃/min；第二階段降溫至700℃，平均降溫速率10℃/min；第三階段隨爐冷卻8h至室溫，獲得超細(xì)晶Ti(C,N)金屬陶瓷材料。
[0062] 用粒度70um的金剛石砂輪研磨燒結(jié)后的樣品，采用國標(biāo)的測試方法測得本實施例樣品性能如下：維氏硬度:16.4GPa(GB/T?7997-2014)，抗彎強度:2350MPa(GB/T?3851-1983)，斷裂韌性:10.1MPa·m1/2(GB/T?33819-2017)，孔隙度:A02B00C00(ISO?4499-
42016)，結(jié)晶粒度小于1um。
[0063] 實施例5
[0064] 本實施例超細(xì)粉體原料明細(xì)見表5。
[0065] 表5
[0066]
[0067]
[0068] 將上述粉末原料按照表2中所示配比，稱重混合倒入球磨罐中，球料質(zhì)量比6:1，以固液質(zhì)量比2:1加入無水乙醇作為溶劑，加入1.2wt.％PV成型劑，1.5wt.％水性分散劑，密封后球磨機上球磨72h，球磨機轉(zhuǎn)速100r/min，獲得混合漿料；
[0069] 采用閉式噴霧干燥設(shè)備，進行噴霧干燥及造粒獲得流動性好的混合造粒粉，具體工作參數(shù)：進口溫度190℃，出口溫度80℃，霧化盤轉(zhuǎn)速20000rpm/min，蠕動泵供料速度100mL/min；
[0070] 采用粉末冶金冷模壓制成坯料后，采用熱等靜壓燒結(jié)工藝進行燒結(jié)：1450℃保溫1.5h，保溫結(jié)束后，第一階段降溫，從燒結(jié)溫度降低至1300℃，降溫速率15℃/min；第二階段降溫至700℃，平均降溫速率10℃/min；第三階段隨爐冷卻10h至室溫，獲得超細(xì)晶Ti(C,N)金屬陶瓷材料。
[0071] 用粒度70um的金剛石砂輪研磨燒結(jié)后的樣品，采用國標(biāo)的測試方法測得本實施例樣品性能如下：維氏硬度為16.4GPa(GB/T?7997-2014)，抗彎強度為2400MPa(GB/T?3851-1983)，斷裂韌性為10.3MPa·m1/2(GB/T?33819-2017)，孔隙度:A02B00C00(ISO?4499-
42016)，結(jié)晶粒度小于1um。
[0072] 對比例
[0073] 本對比例提供了一些現(xiàn)有技術(shù)中金屬陶瓷材料的種類，并列舉了上述現(xiàn)有技術(shù)中金屬陶瓷材料的維氏硬度、抗彎強度和韌性，結(jié)果見表表6。
[0074] 表6
[0075]
[0076] 由以上內(nèi)容可知，本發(fā)明制備得到的Ti(C,N)金屬陶瓷材料主相顯微組織晶粒尺寸均小于1um，相比于傳統(tǒng)Ti(C,N)金屬陶瓷材料具有更高的維氏硬度(16.0-16.5GPa)、抗彎強度(2200-2400MPa)并兼顧該體系材料特有的韌性(9.5-10.4MPa·m1/2)。用于制造數(shù)控刀具或母材可實現(xiàn)優(yōu)異的耐磨損性和平衡的抗崩損性，作為數(shù)控刀具材料或母材，可適用于更高性能被加工材料的加工、延長產(chǎn)品的使用壽命，且生產(chǎn)成本低、可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、無污染環(huán)境友好。
[0077] 以上所述的實施例僅是對本發(fā)明的優(yōu)選方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種
變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明
權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
