超細TiC的制作方法

專利名稱：超細TiC的制作方法
技術領域：
本發明為金屬陶瓷及其制備方法，特別涉及超細TiC0.7N0.3基金屬陶瓷及其制備方法。
背景技術：
Ti(C，N)基金屬陶瓷以Ti(C，N)為主硬質相，Ni/Co為粘結相，并添加WC、Mo2C、TaC、VC、ZrC、Cr3C2、HfC等碳化物來改善性能。與傳統硬質合金刀具材料相比，金屬陶瓷具有優良的硬度、耐磨性，優良的化學穩定性、抗氧化性和抗粘刀能力和低的摩擦系數。因此金屬陶瓷可用作高錳鋼、合金結構鋼、特種鑄鐵(如含鈮、含硼、高鉻及硬鑄鐵等)、高溫合金、軋輥以及熱噴焊涂層材料等難加工材料的切削刀具，并且可以允許較高的切削速度和較大的進刀量，提高生產效率。同時，金屬陶瓷使用儲量豐富的Ti、Ni，避免了傳統硬質合金對昂貴稀缺的戰略資源W，Co的大量消耗，具有極大的資源優勢和成本優勢。基于上述原因，金屬陶瓷刀具在國外發達國家得到了很到的應用。據統計，在日本的金屬切削領域中，金屬陶瓷刀片已占可轉位刀片總數的30％，迄今仍在擴大其應用范圍，目前日本市場的主要牌號見表1；而美國卻只占5％，但在美國制造業中已開始大量應用金屬陶瓷刀具。隨著金屬陶瓷制作技術的發展，金屬陶瓷刀具的應用領域及使用量正在迅速擴大和增長。我國在“八五”期間也研制出多種型號的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，并批量上市，但性能不穩定，強韌性偏低，在高速切削條件下，震動很大，因此這些刀片基本上未得到實際應用，表2為中國市場上正在試用的幾種金屬陶瓷的牌號和性能。
表1日本市場上常用的金屬陶瓷的牌號和性能

表2中國市場上正在使用幾種的金屬陶瓷的牌號和性能

專利CN1093121，CN1410574分別公開了一種Ti(C，N)基金屬陶瓷及其制備方法。但專利中的金屬陶瓷晶粒度屬于中粗顆粒，不是超細金屬陶瓷，且使用了目前較難獲得，且價格昂貴的多元復雜固溶體(Ti，W，Ta，Nb)。而目前的研究表明，通過細化晶粒，特別是晶粒度下降到0.5μm(超細)以下時，可獲得硬度，強度，韌性三高的金屬陶瓷材料。但采用超細以下原料制備金屬陶瓷非常困難，隨著粒度的細化，表面能增大，濕磨時容易團聚，不易分散；而且粉末的細化導致，粉末活性激增，容易吸氧，細顆粒粉末的氧含量增高會造成粉末成形時彈性后效增大，壓坯易分層開裂，難以成型；燒結時使制品大量產生孔隙，造成合金性能急驟下降。超細以下金屬陶瓷制備過程中氧含量控制是一個難題。
專利CN1346816采用機械合金化的方法制備納米級的TiC，來制備Ti(C，N)基金屬陶瓷；專利CN1477222采用部分添加納米TiC和(或)TiN的方法來改性Ti(C，N)基金屬陶瓷；都使金屬陶瓷性能提高，但兩專利均是采取TiC+TiN的方法來引入N，若以固溶體的形式引入N，可抑制氮化物在燒結時的分解，減少缺陷形成并提高材料致密度。
因此，盡管近年來Ti(C，N)基金屬陶瓷在國內外得到較大的發展，但上述投放市場產品及專利技術存在的主要問題是仍然是強韌性不足，產品性能不穩定。因此必須在保證其硬度、耐磨生、紅硬性等優良性能的同時，提高其強度與韌性。只有這樣，才有可能使此種大有前途的材料在國內刀具市場上得到運用本專利的目的就是采用超細原料，并以固溶體的形式引入N，來制備性能優異的超細Ti(C，N)基金屬陶瓷發明內容本發明針對現有技術的不足，提供了一種新型的超細Ti(C，N)基金屬陶瓷，并提供了超細金屬陶瓷的制備方法。
本發明的金屬陶瓷，其各組成成份重量百分比為Mo2C8～13wt％；WC10～15wt％；TaC5～8wt％；Ni/Co10.5～14.5wt％(且Co∶Ni＝60∶40)；其余為TiC0.7N0.3。
本發明如上所述的金屬陶瓷，其特征在于各組成成分的粒度為TiC0.7N0.3＜0.1μm；WC＜0.4μmMo2C＜0.7μm；TaC＜1μm；Ni/Co＜1μm。
本發明如上所述的金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)將權利要求1中所述的超細TiC0.7N0.3等粉末作脫氧處理；(2)將最終能滿足權利要求1所述的金屬陶瓷各組成成分重量百分含量的各種碳化物、碳氮化物和金屬粉末混合，濕磨；(3)濕磨后的物料經過沉淀干燥，制得混合料，壓制成型；
(4)壓制生坯經過真空燒結和熱等靜壓處理制成金屬陶瓷。
本發明如上所述的金屬陶瓷的制備方法，其進一步特征在于(1)超細TiC0.7N0.3等粉末的脫氧處理在H2保護的連續推進式Mo絲煅燒爐，或真空燒結爐中進行；(2)濕磨在滾筒式球磨機中進行，濕磨介質為己烷，研磨球為WC-8wt％Co硬質合金球；(3)濕磨時加入硬脂酸山梨糧脂作分散劑，濕磨結束前加入石蠟成型劑；(4)熱等靜壓處理在氬氣保護下進行。
本發明如上所述的金屬陶瓷的制備方法，其工藝參數(1)在H2保護的連續推進式Mo絲煅燒爐中進行脫氧處理時推舟速度為20舟/分，高溫帶溫度為400℃，H2流速為2m3/h；在真空燒結爐中進行脫氧處理時在1500℃下保溫1小時，真空度為0.5Pa；(2)研磨速度為68r/min研磨時間為48h，研磨球直徑為6mm，球料比為15∶1，分散劑硬脂酸山梨糧脂的加入量為0.3wt％；(3)石蠟成型劑的加入量為5wt～8wt％，加入時間為濕磨結束前2～3小時；壓制壓力為300～400MPa；(4)脫蠟在真空度高于10～15Pa下進行，在400℃～500℃之間保溫2～4h；(5)燒結真空度高于1～5×10-2Pa下進行，燒結溫度為1400℃～1480℃，保溫時間為1～1.5h；(6)熱等靜壓處理在1350℃下進行，保溫90～120min，氬氣壓力為70～120MPa；本發明的優點在于本發明采用TiC0.7N0.3固溶體原料，避免了以TiC+TiN的形式引入N的缺點，可抑制氮化物在燒結時的分解，減少缺陷形成并提高材料致密度。對TiC0.7N0.3固溶體粉末為超細粉末，并進行了脫氧處理，解決了超細金屬陶瓷生產過程中的氧含量控制這一難題；濕磨時加入分散劑硬脂酸山梨糧脂使超細粉末均勻分散；燒結后采用熱等靜壓處理，消除空隙。所制備的超細金屬陶瓷具有典型的芯/環結構，其晶粒度≤0.5μm，其硬度≥93HRA，抗彎強度≥2200Mpa，可用于半精加工和精加工切削刀具材料，與國外相當的超細金屬陶瓷刀片相比，具有相當的切削性能。


圖1本發明中實例1超細TiC0.7N0.3粉末脫氧處理后的形貌圖2本發明中實例1混合粉末濕磨后的形貌圖3本發明中實例1超細TiC0.7N0.3金屬陶瓷燒結后的形貌圖4本發明中實例2超細TiC0.7N0.3粉末脫氧處理后的形貌圖5本發明中實例2混合粉末濕磨后的形貌圖6本發明中實例2超細TiC0.7N0.3金屬陶瓷燒結后的形貌具體實施方式
實例1各組成成分的粒度為TiC0.7N0.30.05～0.13μm；WC0.2～0.4μm；Mo2C0.4 0.7μm；TaC0.8～1μm；Ni/Co＜1μm。其中Mo2C10wt％；WC15wt％；TaC7wt％；NiCo14.5wt％(且Co∶Ni＝60∶40)；其余為TiC0.7N0.3固溶體。超細TiC0.7N0.3粉末的脫氧處理在H2保護的連續推進式Mo絲煅燒爐中進行。超細TiC0.7N0.3粉末置于潔凈的石墨舟皿上，送入通H2保護的連續推進式Mo絲煅燒爐中進行脫氧處理，推舟速度為20舟/分，高溫帶溫度400℃，H2流速2m3/小時。處理后的形貌見圖1，成分分析見表3。然后將符合組成重量百分含量的各種碳化物、碳氮化物和金屬粉末混合，在滾筒式濕磨機中研磨，濕磨介質為己烷，研磨球為WC-8wt％Co硬質合金球；研磨速度為68r/min，研磨時間為48h，研磨球直徑為6mm，球料比為15∶1，濕磨時加入硬脂酸山梨糧脂作分散劑，濕磨結束前加入石蠟成型劑；分散劑硬脂酸山梨糧脂的加入量為0.3wt％，石蠟成型劑的加入量為5wt～8wt％，加入時間為濕磨結束前2～3小時；研磨后的SEM形貌見圖2。料漿經過沉淀，干燥后，進行壓制成型，壓成SNUN120408機夾不重磨刀片，壓制壓力為300～400MPa。在真空燒結爐中燒結，脫蠟在真空度高于10～15Pa下進行，在400℃～500℃之間保溫2-4h；燒結真空度高于1～5×10-2Pa下進行，燒結溫度為1450℃，保溫時間為1h。然后進行熱等靜壓處理，熱等靜壓處理在1350℃下進行，保溫90min氬氣壓力為70MPa.根據上述成分和工藝條件制備的金屬陶瓷具有典型的芯/環結構，其晶粒度≤0.5μm，抗彎強度2250MPa，硬度93.5HRA。其微觀形貌見圖3。
表3超細TiC0.7N0.3粉末在Mo絲煅燒爐中脫氧處理后粉末的化學成分

根據上述成分和工藝條件制備的金屬陶瓷，與普通金屬陶瓷和日本NX2525超細金屬陶瓷刀具在磨床上用金剛石砂輪刃磨，采用NJ-CK6140數控車床(數控系統FANUC OTD)進行切削性能實驗，所試驗加工材料為調質9CrSi，硬度為HRC50。刀具安裝角度為前角γo＝-8°后角αo＝-6，主偏角χr＝45°，副偏角χr`＝45°，刃傾角λs＝-3°，刀尖圓角半徑R＝0.3mm；刀具切削參數為進給量F＝0.1mm/r；切削速度V＝200m/min；切削深度ap＝1mm；切削實驗結果表明在上述切削實驗條件下，超細金屬陶瓷的耐用度是普通金屬陶瓷的4倍，比日本NX2525略好(刀片后刀面VB＝0.23mm時，幾種刀片的切削時間為見表4)；超細金屬陶瓷NT6B刀具加工的工件表面粗糙度為0.7μm，優于日本NX2525的0.9μm和普通金屬陶瓷的1.2μm。
表4刀片后刀面VB＝0.23mm時幾種刀片的切削時間t(min)

實例2各組成成分的粒度為TiC0.7N0.30.05～0.13μm；WC0.2～0.4μm；Mo2C0.4-0.7μm；TaC0.8～1μm；Ni/Co＜1μm。其中Mo2C13wt％；WC15wt％；TaC8wt％；NiCo13wt％(且Co∶Ni＝60∶40)；其余為TiC0.7N0.3固溶體。超細TiC0.7N0.3等粉末的脫氧處理在真空燒結爐中進行。超細TiC0.7N0.3等粉末置于潔凈的石墨舟皿上，送入真空燒結爐中進行脫氧處理，在1500℃下保溫1小時，真空度為0.5Pa。處理后的形貌見圖4，成分分析見表5。然后將符合組成重量百分含量的各種碳化物、碳氮化物和金屬粉末混合，在滾筒式濕磨機中研磨，濕磨介質為己烷，研磨球為WC-8wt％Co硬質合金球；研磨速度為68r/min，研磨時間為48h，研磨球直徑為6mm，球料比為15∶1，濕磨時加入硬脂酸山梨糧脂作分散劑，濕磨結束前加入石蠟成型劑；分散劑硬脂酸山梨糧脂的加入量為0.3wt％，石蠟成型劑的加入量為5wt～8wt％，加入時間為濕磨結束前2～3小時；研磨后的SEM形貌見圖5。料漿經過沉淀，干燥后，進行壓制成型，壓成SNUN120408機夾不重磨刀片，壓制壓力為300～400MPa。在真空燒結爐中燒結，脫蠟在真空度高于10～15Pa下進行，在400℃～500℃之間保溫2-4h；燒結真空度高于1～5×10-2Pa下進行，燒結溫度為1480℃，保溫時間為1.5h。然后進行熱等靜壓處理，熱等靜壓處理在1350℃下進行，保溫120min，氬氣壓力為90MPa，根據上述成分和工藝條件制備的金屬陶瓷具有典型的芯/環結構，其晶粒度≤0.5μm，抗彎強度2450MPa，硬度93HRA。其微觀形貌見圖6。
表5超細TiC0.7N0.3粉末在真空燒結爐中脫氧處理后粉末的化學成分

根據上述成分和工藝條件制備的金屬陶瓷，與普通金屬陶瓷和日本NX2525超細金屬陶瓷刀具在磨床上用金剛石砂輪刃磨，采用NJ-CK6140數控車床(數控系統FANUC OTD)進行切削性能實驗，所試驗加工材料為調質9CrSi，硬度為HRC50。刀具安裝角度為前角γo＝8°后角αo＝6，主偏角χr＝45°，副偏角χr`＝45°，刃傾角λs＝-3°，刀尖圓角半徑R＝0.3mm；刀具切削參數為進給量F＝0.1mm/r；切削速度V＝200m/min；切削深度ap＝1mm；切削實驗結果表明在上述切削實驗條件下，超細金屬陶瓷的耐用度是普通金屬陶瓷的4倍，比日本NX2525略好(刀片后刀面VB＝0.23mm時，幾種刀片的切削時間為見表6)；超細金屬陶瓷NT6B刀具加工的工件表面粗糙度為0.72μm，優于日本NX2525的0.9μm和普通金屬陶瓷的1.2μm。
表6刀片后刀面VB＝0.23mm時幾種刀片的切削時間t(min)

權利要求
1.一種金屬陶瓷，其各組成成份重量百分比為Mo2C8～13wt％；WC10～15wt％；TaC58wt％；Ni/Co10.5～14.5wt％(且Co∶Ni＝60∶40)；其余為TiC0.7N0.3。
2.根據權利要求1所述的金屬陶瓷，其特征在于各組成成分的粒度為TiC0.7N0.3＜0.1μm；WC＜0.4μm；Mo2C＜0.7μm；TaC＜1μm；Ni/Co＜1μm。
3.根據權利要求1所述的金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)將權利要求1中所述的超細TiC0.7N0.3等粉末作脫氧處理；(2)將最終能滿足權利要求1所述的金屬陶瓷各組成成分重量百分含量的各種碳化物、碳氮化物和金屬粉末混合，濕磨；(3)濕磨后的物料經過沉淀干燥，制得混合料，壓制成型；(4)壓制生坯經過真空燒結和熱等靜壓處理制成金屬陶瓷。
4.根據權利要求3所述的金屬陶瓷制備方法，其特征在于(1)超細TiC0.7N0.3等粉末的脫氧處理在H2保護的連續推進式Mo絲煅燒爐，或真空燒結爐中進行；(2)濕磨在滾筒式球磨機中進行，濕磨介質為己烷，研磨球為WC-8wt％Co硬質合金球；(3)濕磨時加入硬脂酸山梨糧脂作分散劑，濕磨結束前加入石蠟成型劑；(4)熱等靜壓處理在氬氣保護下進行。
5.根據權利要求4所述的金屬陶瓷制備方法，其特征在于(1)在H2保護的連續推進式Mo絲煅燒爐中進行脫氧處理時推舟速度為20舟/分，高溫帶溫度為400℃，H2流速為2m3/h；在真空燒結爐中進行脫氧處理時在1500℃下保溫1小時，真空度為0.5Pa；(2)研磨速度為68r/min，研磨時間為48h，研磨球直徑為6mm，球料比為15∶1，分散劑硬脂酸山梨糧脂的加入量為0.3wt％；(3)石蠟成型劑的加入量為5wt～8wt％，加入時間為濕磨結束前2～3h.壓制壓力為300400MPa；(4)脫蠟在真空度高于10～15Pa下進行，在400℃～500℃之間保溫2-4h；(5)燒結真空度高于1～5×102Pa下進行，燒結溫度為1400℃～1480℃，保溫時間為1-1.5h；(6)熱等靜壓處理在1350℃下進行，保溫90～120min，氬氣壓力為70～120MPa。
全文摘要
本發明公開了一種超細金屬陶瓷及制備方法。該金屬陶瓷各組成成份重量百分比為Mo
文檔編號C22C1/05GK101070577SQ200710049108
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月16日 優先權日2007年5月16日
發明者熊計, 郭智興, 楊梅, 沈保羅 申請人:四川大學