專利名稱：：一種基于(Ti,M)(C,N)固溶體粉的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于碳氮化鈦金屬陶瓷和粉末冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：Ti(C，N)基金屬陶瓷因其良好的紅硬性和抗月牙洼磨損能力和低廉的制造成本，是世界主要工業(yè)國(guó)家重視Ti(C，N)基金屬陶瓷技術(shù)的主要原因。盡管通過添加諸如WC、Mo2C等第二類碳化物可顯著改善硬質(zhì)相與粘結(jié)相之間的潤(rùn)濕性并在一定程度上提高其強(qiáng)度。但與傳統(tǒng)WC-Co硬質(zhì)合金的高韌性(約為9-16MPam1/2)相比，商用Ti(C，N)基金屬陶瓷仍稍遜一籌(約為6-9MPam1/2)，目前還無法取代WC-Co硬質(zhì)合金工模具。如何提高Ti(C，N)基金屬陶瓷的韌性，已成為世界各國(guó)材料工作者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。當(dāng)利用Ti(C，N)或TiC+TiN作為開始粉末，通過添加第二類碳化物來提高Ti(C，N)基金屬陶瓷的強(qiáng)韌性時(shí)，觀察到Ti(C，N)基金屬陶瓷燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)具有典型的芯環(huán)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)相周圍被Ni、Co等粘結(jié)相環(huán)繞，硬質(zhì)相的典型芯環(huán)結(jié)構(gòu)為灰黑色芯部及包覆在四周的淺白色環(huán)形相組成，其中芯核相為Ti(C，N)、環(huán)形相為(Ti，W，Mo....)(C，N)固溶體。環(huán)形相(Ti，W，Mo....)(C，N)的出現(xiàn)改善了硬質(zhì)相與Ni、Co等粘結(jié)相的界面潤(rùn)濕性，從而使該金屬陶瓷的力學(xué)性能顯著優(yōu)于Ti(C，N)-Ni/Co單一金屬陶瓷。然而，由于Ti(C，N)芯核的存在，具有此芯環(huán)結(jié)構(gòu)的Ti(C，N)基金屬陶瓷依然存在該金屬陶瓷的韌性低于WC-Co硬質(zhì)合金的問題。2005年，韓國(guó)首爾大學(xué)申請(qǐng)了"固體溶液粉末、陶瓷、金屬陶瓷粉末、金屬陶瓷及制備法"中國(guó)專利，報(bào)道了利用高能球磨技術(shù)在130(TC成功合成(Ti，W，Mo....)(C，N)固溶體粉末，并以此粉末壓制燒結(jié)，制備了高斷裂韌性(12-13MPam1/2)的無芯環(huán)結(jié)構(gòu)的Ti(C，N)基金屬陶瓷。然而遺憾的是，這種高韌性Ti(C，N)基金屬陶瓷的HV硬度僅為11-12GPa，遠(yuǎn)低于商用Ti(C，N)基金屬陶瓷14-17GPa的硬度水平。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于結(jié)合具有典型芯環(huán)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)Ti(C，N)基金屬陶瓷和無芯環(huán)結(jié)構(gòu)的Ti(C，N)基金屬陶瓷的優(yōu)缺點(diǎn)，提供一種具有弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)的顯微組織的新型金屬陶瓷材料，獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是基于(Ti，M)(C，N)固溶體粉的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料，采用(Ti，M)(C，N)固溶體粉末為硬質(zhì)相組元，Ni或/和Co為粘結(jié)相組元，并添加第二類碳化物粉末，其原料組分及各組分的重量百分?jǐn)?shù)為Ni或/和Co為1020%，第二類碳化物粉末為10-35%，(Ti，M)(C，N)為余量。更進(jìn)一步的是上述弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料的原料中的(Ti，M)(C，N)固溶體粉的組分及各組分的重量百分?jǐn)?shù)為C520%、N520%、M1040%，Ti余量；其中M為W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一種。更進(jìn)一步的是上述弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料的原料中的的第二類碳化物粉末為WC、VXC(0<x《1)、Mo2C、Cr3C2、TaC、NbC中至少一種。更進(jìn)一步的是上述新型金屬陶瓷材料金屬陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)是具有弱芯環(huán)的結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明所述弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料的制備方法與工藝步驟如下(1)配料按照權(quán)利要求1所述的組分和配比，計(jì)算各組元重量，利用電子天平對(duì)各組分粉末進(jìn)行稱量。(2)球磨混料將步驟(1)稱量好的原料粉末放入以直徑為C10mm的YG8合金球和無水乙醇為球磨介質(zhì)的聚氨酯球磨罐中，然后在輥式球磨機(jī)上球磨72h，球料比8:1，球磨轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/min。濕磨料取出后在真空干燥箱中8(TC干燥，然后加入汽油橡膠或聚乙二醇水溶液進(jìn)行摻膠造粒。(3)壓制將步驟(2)摻膠后的粒料放入模具中壓制成型，壓制壓力120-180MPa。(4)脫膠一低壓燒結(jié)將步驟(3)壓制好的坯體放入烘箱中于8(TC干燥，再放入真空燒結(jié)爐中脫膠處理，溫度為400-65(TC，加熱時(shí)間5-8小時(shí)。脫膠后的坯體放入低壓燒結(jié)爐中于1400-1500°C燒結(jié)l-2h，燒結(jié)保溫的最后半小時(shí)充入2-6MPa的Ar或N2氣。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供了基于(Ti，M)(C，N)固溶體粉的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料，，其顯微組織具有不同于"典型芯環(huán)結(jié)構(gòu)和無芯環(huán)結(jié)構(gòu)"的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)的特征，為Ti(C，N)基金屬陶瓷材料增加了新的類型。2、本發(fā)明提供的基于(Ti，M)(C，N)固溶體粉的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料，其綜合力學(xué)性能好，抗彎強(qiáng)度>2000MPa，HV硬度〉1500MPa，斷裂韌性>lOMPam—1/2。3、本發(fā)明所述方法工藝簡(jiǎn)單，所用設(shè)備為常規(guī)設(shè)備，便于工業(yè)化生產(chǎn)。圖1是所制備的基于Ti(C，N)基固溶體粉末，以第二類碳化物改性的Ti(C，N)基金屬陶瓷的掃描電鏡圖，其中(a)為實(shí)施例1中金屬陶瓷的掃描電鏡圖；(b)為實(shí)施例2中金屬陶瓷的掃描電鏡圖。表1是圖l(a)的Eds能譜元素分析，證實(shí)弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)的芯核為固溶體相。表2是實(shí)施例1，2，7中所制備的金屬陶瓷的力學(xué)性能。4<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述基于Ti(C，N)基固溶體粉末，以第二類碳化物改性的Ti(C，N)基金屬陶瓷及其制備方法作進(jìn)一步說明。其中(Ti，M)(C，N)固溶體粉末中，各成分含量均為質(zhì)量百分含量，例如，(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C。.5，N。.5)表示W(wǎng)占Ti含量的15%，Mo占Ti含量的5%，V占Ti含量的0.2%，C/N比為0.5/0.5。實(shí)施例1(1)成分配料超細(xì)(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C。.6，N。.4)固溶體粉65g、Ni粉8g、Co粉7g、WC粉15g、Mo2C粉5g。利用電子天平稱量上述粉末組分。[OO32](2)球磨混料按步驟(1)配備的原料粉末放入以直徑為C10mm的YG8合金球和無水乙醇為球磨介質(zhì)的聚氨酯球磨罐中，然后在輥式球磨機(jī)上球磨72h，球料比8:1，球磨轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/min。濕磨料取出后在真空干燥箱中8(TC干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液進(jìn)行摻膠造粒。(3)壓制將步驟(2)摻膠后的粒料放入模具中壓制成型，壓制壓力150MPa。(4)脫膠一低壓燒結(jié)將步驟(3)壓制好的坯體放入烘箱中于8(TC干燥，再放入真空燒結(jié)爐中脫膠處理，溫度為65(TC，加熱時(shí)間6小時(shí)。脫膠后的坯體放入低壓燒結(jié)爐中于145(TC燒結(jié)1.5h，燒結(jié)保溫的最后半小時(shí)充入4MPa的Ar氣。實(shí)施例2[OO39](1)成分配料超細(xì)(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C。.6，N04)固溶體粉65g、Ni粉llg、Co粉9g、WC粉5g、Mo2C粉10g。利用電子天平稱量上述粉末組分。[OO42](2)球磨混料按步驟(1)配備的原料粉末放入以直徑為C10mm的YG8合金球和無水乙醇為球磨介質(zhì)的聚氨酯球磨罐中，然后在輥式球磨機(jī)上球磨72h，球料比8:1，球磨轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/min。濕磨料取出后在真空干燥箱中8(TC干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液進(jìn)行摻膠造粒。(3)壓制將步驟(2)摻膠后的粒料放入模具中壓制成型，壓制壓力120MPa。(4)脫膠一低壓燒結(jié)將步驟(3)壓制好的坯體放入烘箱中于8(TC干燥，再放入真空燒結(jié)爐中脫膠處理，溫度為60(TC，加熱時(shí)間8小時(shí)。脫膠后的坯體放入低壓燒結(jié)爐中于145(TC燒結(jié)1.5h，燒結(jié)保溫的最后半小時(shí)充入2MPa的Ar氣。實(shí)施例3(1)成分配料超細(xì)(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C。.5，N。.5)固溶體粉75g、Ni粉6g、Co粉4g、TaC粉5g、Mo2C粉10g。利用電子天平稱量上述粉末組分。(2)球磨混料按步驟(1)配備的原料粉末放入以直徑為C10mm的YG8合金球和無水乙醇為球磨介質(zhì)的聚氨酯球磨罐中，然后在輥式球磨機(jī)上球磨72h，球料比8:1，球磨轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/min。濕磨料取出后在真空干燥箱中8(TC干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液進(jìn)行摻膠造粒。(3)壓制將步驟(2)摻膠后的粒料放入模具中壓制成型，壓制壓力180MPa。(4)脫膠一低壓燒結(jié)將步驟(3)壓制好的坯體放入烘箱中于8(TC干燥，再放入真空燒結(jié)爐中脫膠處理，溫度為65(TC，加熱時(shí)間5小時(shí)。脫膠后的坯體放入低壓燒結(jié)爐中于146(TC燒結(jié)lh，燒結(jié)保溫的最后半小時(shí)充入6MPa的N2氣。實(shí)施例4[OO59](1)成分配料超細(xì)(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C。.5，N。.5)固溶體粉75g、Ni粉8g、Co粉7g、Mo2C粉9g，Cr3C2粉lg。利用電子天平稱量上述粉末組分。(2)球磨混料按步驟(1)配備的原料粉末放入以直徑為C10mm的YG8合金球和無水乙醇為球磨介質(zhì)的聚氨酯球磨罐中，然后在輥式球磨機(jī)上球磨72h，球料比8:1，球磨轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/min。濕磨料取出后在真空干燥箱中8(TC干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液進(jìn)行摻膠造粒。(3)壓制將步驟(2)摻膠后的粒料放入模具中壓制成型，壓制壓力150MPa。[ooee](4)脫膠一低壓燒結(jié)將步驟(3)壓制好的坯體放入烘箱中于8(TC干燥，再放入真空燒結(jié)爐中脫膠處理，溫度為65(TC，加熱時(shí)間5小時(shí)。脫膠后的坯體放入低壓燒結(jié)爐中于146(TC燒結(jié)lh，燒結(jié)保溫的最后半小時(shí)充入6MPa的N2氣。實(shí)施例5(i)成分配料超細(xì)(Ti，W10)(C0.5，N0.5)固溶體粉50g、Ni粉8g、Co粉7g、WC粉15g、Mo2C粉20g。利用電子天平稱量上述粉末組分。(2)球磨混料按步驟(1)配備的原料粉末放入以直徑為C10mm的YG8合金球和無水乙醇為球磨介質(zhì)的聚氨酯球磨罐中，然后在輥式球磨機(jī)上球磨72h，球料比8:1，球磨轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/min。濕磨料取出后在真空干燥箱中8(TC干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液進(jìn)行摻膠造粒。(3)壓制將步驟(2)摻膠后的粒料放入模具中壓制成型，壓制壓力160MPa。(4)脫膠一低壓燒結(jié)將步驟(3)壓制好的坯體放入烘箱中于8(TC干燥，再放入真空燒結(jié)爐中脫膠處理，溫度為60(TC，加熱時(shí)間6小時(shí)。脫膠后的坯體放入低壓燒結(jié)爐中于143(TC燒結(jié)1.5h，燒結(jié)保溫的最后半小時(shí)充入4MPa的N2氣。實(shí)施例6[OO79](1)成分配料超細(xì)(Ti，W20，Mol5，Ta5)(C。.5，N。.5)固溶體粉75g、Ni粉8g、Co粉7g、NbC粉5g、Mo2C粉5g。利用電子天平稱量上述粉末組分。(2)球磨混料按步驟(1)配備的原料粉末放入以直徑為C10mm的YG8合金球和無水乙醇為球磨介質(zhì)的聚氨酯球磨罐中，然后在輥式球磨機(jī)上球磨72h，球料比8:1，球磨轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/min。濕磨料取出后在真空干燥箱中8(TC干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液進(jìn)行摻膠造粒。(3)壓制將步驟(2)摻膠后的粒料放入模具中壓制成型，壓制壓力120MPa。[OOSS](4)脫膠一低壓燒結(jié)將步驟(3)壓制好的坯體放入烘箱中于8(TC干燥，再放入真空燒結(jié)爐中脫膠處理，溫度為60(TC，加熱時(shí)間6小時(shí)。脫膠后的坯體放入低壓燒結(jié)爐中于150(TC燒結(jié)lh，燒結(jié)保溫的最后半小時(shí)充入4MPa的N2氣。實(shí)施例7[OO89](1)成分配料超細(xì)(Ti，W20，Mo15，CrO.5)(C。.7，N。3)固溶體粉75g、Ni粉8g、Co粉7g、Mo2C粉10g。利用電子天平稱量上述粉末組分。[OO92](2)球磨混料按步驟(1)配備的原料粉末放入以直徑為C10mm的YG8合金球和無水乙醇為球磨介質(zhì)的聚氨酯球磨罐中，然后在輥式球磨機(jī)上球磨72h，球料比8:1，球磨轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/min。濕磨料取出后在真空干燥箱中8(TC干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液進(jìn)行摻膠造粒。(3)壓制將步驟(2)摻膠后的粒料放入模具中壓制成型，壓制壓力150MPa。[OO96](4)脫膠一低壓燒結(jié)將步驟(3)壓制好的坯體放入烘箱中于8(TC干燥，再放入真空燒結(jié)爐中脫膠處理，溫度為40(TC，加熱時(shí)間8小時(shí)。脫膠后的坯體放入低壓燒結(jié)爐中于148(TC燒結(jié)1.5h，燒結(jié)保溫的最后半小時(shí)充入4MPa的Ar氣。權(quán)利要求一種基于(Ti，M)(C，N)固溶體粉的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料，其特征在于所述新型金屬陶瓷材料的原料組分及各組分的重量百分?jǐn)?shù)為Co或/和Ni粉末10～20％；第二類碳化物粉末10～35％；(Ti，M)(C，N)固溶體粉余量。2.按照權(quán)利要求l所述的一種基于(Ti，M)(C，N)固溶體粉的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料，其特征在于所述原料中的(Ti，M)(C，N)固溶體粉的組分及各組分的重量百分?jǐn)?shù)為C520%、N520%、M1040%，Ti余量；其中M為W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一種。3.按照權(quán)利要求l所述的一種基于(Ti，M)(C，N)固溶體粉的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料，其特征在于所述原料中的第二類碳化物粉末為WC、VxC(0<x《1)、M02C、Cr3C2、TaC、NbC中至少一種。全文摘要一種基于(Ti，M)(C，N)固溶體粉的弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)新型金屬陶瓷材料，其原料組分及各組分的重量百分?jǐn)?shù)為10～20％的Co或/和Ni粉末，10～35％的第二類碳化物粉末和余量的(Ti，M)(C，N)固溶體粉，所述(Ti，M)(C，N)固溶體粉中M為W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一種，所述第二類碳化物為WC、VxC(0＜x≤1)、Mo2C、Cr3C2、TaC、NbC中至少一種。上述新型金屬陶瓷材料的制備方法為粉末冶金方法。文檔編號(hào)C22C29/04GK101792880SQ20101012317公開日2010年8月4日申請(qǐng)日期2010年3月12日優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日發(fā)明者劉穎,葉金文,姜中濤,金永中申請(qǐng)人:四川大學(xué)