專利名稱：納米WC-Co復合粉改性的Ti(CN)基金屬陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種以碳氮化物為基的金屬陶瓷，尤其涉及一種納米復合粉改性的碳氮 化鈦(Ti (CN))基金屬陶瓷及其制備方法。
技術背景傳統顆粒的金屬陶瓷合金由于原料粉末的粒徑較大，在加工成合金刀具以后更容易 產生裂紋，加上結構的不均勻，加工后的刀具也表現出較差的韌性。近年來納米技術與 納米材料的研究工作已成為研究熱點，很多納米粉末的制備已進入產業化階段。由于超 細粉體的獨特尺寸效應和表界面效應，使得納米材料具有優秀的物理、力學和機械性能。 然而，同樣由于納米粉體的尺寸效應和表界面效應，使得納米粉體的團聚十分嚴重，納 米級致密塊體材料的生產制備也變得非常困難，例如納米級硬質合金和金屬陶瓷致密塊 體材料的研究就尚處于起步階段。后研究發現，在微米或者亞微米粉體材料的制備過程 中，通過加入納米粉體改變其精細組織結構，也能使微米或者亞微米材料的性能得到很 大的提高。中國專利02138161.5就公開了一種以納米TiN改性的TiC或Ti (C, N)基 金屬陶瓷刀具，該刀具通過在原料粉末中添加納米TiN粉末，提高了 TiC或Ti (C， N) 基金屬陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化性等性能指標，與普通的硬質合金刀 具相比，大大提高了刀具使用壽命和切削效率。但在高速切削條件下，特別是在加工一 些難加工的材料時，由于面臨切削溫度高、切削力大、加工硬化嚴重等惡劣工況，現有 的Ti (CN)基金屬陶瓷合金顯得難以對付，刀具的耐用度和壽命不高，因此如何進一步 提高金屬陶瓷材料的高溫強度與硬度，提高其紅硬性與耐磨性就變得非常重要。 發明內容本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種斷裂韌性、耐磨性和切 削性能更加優良、強度和硬度更高、加工質量更好、使用壽命更長的納米WC-Co復合粉 改性的Ti (CN)基金屬陶瓷，還提供一種該金屬陶瓷的制備方法。為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷，以Ti (CN)作為主要基材，以鈷和/或鎳作為粘結相，其特征在于 所述金屬陶瓷是由下列各質量分數的原料粉末混合后，經粉末冶金工藝制備得到納米WC-Co復合粉6 27%Ti (CN)粉和碳化鈦粉35 65%鉭鈮固溶體粉末2 15%碳化鉬粉或鉬粉1 15%鈷和/或鎳6 25%上述納米WC-Co復合粉中的鈷在該復合粉中的質量分數為5 20。/。， Ti (CN)粉和 碳化鈦粉中碳原子與氮原子的摩爾比為3 : 7 7 : 3。所述的"鈷和/或鎳"是指可單獨選 用鈷或者鎳，也可同時選用鈷和鎳兩種金屬粉末，當選用鈷和鎳兩種金屬粉末作為原料 時，二者可以任意比混合，但總含量的質量分數須滿足6 25%的要求。上述納米WC-Co復合粉的粒度為100納米以下。上述納米WC-Co復合粉以外的其他原料粉末為微米或亞微米粉末，其純度大于 99%，且平均粒度小于1.5微米。本發明還提供了一種上述納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷的制備方 法，依次包括以下工藝步驟原料粉末的球磨破碎、納米WC-Co復合粉的分散、按比例 混合各原料粉末、原料粉末的球磨分散、球磨漿料的干燥、精密壓制成形(得到毛坯)、 預燒以及高溫燒結(燒結后得到金屬陶瓷)；所述高溫燒結可以是真空燒結方式、多氣氛 (N2、 H2、 Ar中的一種或多種)燒結方式或者高溫壓力燒結方式；所述球磨分散過程中，用無水乙醇或甲醇作為研磨介質，用硬質合金作為研磨體， 加入原料粉末總重量0.3 1%的分散劑和4 5%的粘結劑，球料比為1:6 12，球磨轉 速可以控制在30 40轉/分鐘，球磨分散時間可以控制在20 90小時；所述球磨漿料的 干燥是采用噴霧干燥方式或者采用真空干燥方式，干燥溫度為80 95°C，干燥時間90 150分鐘；所述預燒的溫度為200 500'C，時間為2 4小時；所述真空燒結或多氣氛燒 結方式的燒結溫度為1400 1470'C，保溫時間為50 90分鐘；所述高溫壓力燒結方式的 燒結溫度為1390 1440°C，壓強為45 70個標準大氣壓，保溫時間為40 60分鐘。典型的Ti (CN)基金屬陶瓷的組織結構由硬質相和粘結相組成，硬質相為芯一環結 構，有的環形結構有內環和外環。金屬陶瓷性能的高低，關鍵在于其內部組織結構的設 計。通過強化金屬陶瓷的粘結相以及改善環形相的設計，可以提高金屬陶瓷的物理、力 學和切削性能。上述技術方案是以碳氮化鈦作為主要基材，以鈷粉和/或鎳粉作為粘結劑， 以碳化物、鉭鈮固溶體(Ta，Nb) C作為添加劑，再通過添加納米WC-Co復合粉，經粉 末冶金工藝制備得到一種強化粘結相和晶界的納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷。在制備過程中，納米WC-Co復合粉達到了分子級水平的均勻混合，部分甚至形 成了預合金粉體。由于納米WC-Co復合粉中WC高比表面積，相對Ti (CN)在粘結相 中具有更高的溶解速度，抑制了 Ti (CN)的溶解，細化了 Ti (CN)相晶粒，進而形成 比較均勻的環形相，且體積比也顯著增大。添加納米WC-Co復合粉的位錯密度比傳統尺 寸原料粉末顆粒的位錯密度要低，且沒有夾雜，這樣在粘結相中具有更高的W含量和C 含量，增加了粘結相的體積比。此外，納米WC-Co復合粉在燒結冷卻過程中穩定了面心 立方(FCC)鈷，鈷中具有更高的FCC/HCP比(面心立方/六方)，粘結相中并有無定型 鈷相存在，無定型鈷中W含量比結晶鈷中W含量更高，這進一步強化了粘結相。
由上可見，與現有技術相比，本發明的優點在于通過在原料中添加納米WC-Co復合 粉，強化了Ti (CN)基金屬陶瓷的粘結相和晶界，改善了其環形相的分布，提高了亞微 米Ti (CN)基金屬陶瓷的斷裂韌性、強度和硬度，使其顯示出更好的耐磨性和優異的抗 沖擊能力。經納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷可應用于各類切削刀具和
耐磨零件，應用后不僅能夠提高機械加工效益和加工工件的表面質量，而且能夠提高沖 擊模具和耐磨零件的使用壽命。
具體實施方式
實施例l:
按以下的質量配比準備原料粉末17%的納米WC-10%Co復合粉、45M的Ti (CN) 粉、8%的(Ta,Nb) C粉末、8%的Mo2C粉、7。/。的TiC粉、7。/。的Co和8。/。的Ni，其中 納米WC-Co復合粉的粒度為50 100納米，其余原料粉末的平均粒度小于1.5微米。
將上述原料粉末放入球磨機中，用無水乙醇作為研磨介質，用硬質合金作為研磨體， 加入原料粉末總量0.8%的吐溫(作分散劑)、3%的聚乙二醇和1%的聚四氫呋喃(作粘結 劑)，球料比為1 : 10，球磨轉速為36轉/分鐘，球磨混合時間為56小時，球磨分散后的 漿料經噴霧干燥(噴嘴出口溫度9(TC，連續干燥，干燥時間依爐漿多少而定)、精密壓制 成形，再經3小時的預燒(200 500°C)，并在1450'C的H2和Ar氣氛下保溫燒結75 分鐘，最后制得納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷。
測出上述金屬陶瓷的力學性能指標為抗彎強度為1940MPa，硬度為HRA92.0，斷 裂韌性KlC為9.02MPam1/2。將上述金屬陶瓷制備成銑削刀片(SPEN1203EDR)加工 42CrMo，加工參數為切削速度V=300m/min、切深Ap=0.5mm、進給fK).15mm/z，最后 測試得到銑削刀片的切削壽命為75分鐘。
對比試驗將同樣成分、沒有復合粉改性的原料粉末按下述質量配比混合15.3%WC、 8% (Ta,Nb) C、 45%Ti (CN)、 7%TiC、 8.7%Co 和8%Ni，再以現有的粉末冶金技術制備成金屬陶瓷，其性能指標為抗彎強度為 1670MPa，硬度為HRA91.8，斷裂韌性KlC為8.77MPam1/2。將該金屬陶瓷制備成銑削刀 片(SPEN1203EDR)加工42CrMo，加工參數為切削速度V=300m/min、切深Ap=0.5mm、 進給fK).15mm/z,測試得到銑削刀片的切削壽命僅為35分鐘。
實施例2:
按以下的質量配比準備原料粉末10%的納米WC-10%Co復合粉、46。/。的Ti (CN) 粉、12%的(Ta,Nb) C粉末、7%的Mo2C粉、10%的TiC粉、8。/。的Co和7。/。的Ni，其 中納米WC-Co復合粉的粒度為50 100納米，其余原料粉末的平均粒度小于1.5微米。 將上述原料粉末放入球磨機中，用無水乙醇作為研磨介質，用硬質合金作為研磨 體，加入原料粉末總量0.8%的吐溫(作分散劑)、3%的聚乙二醇和1%的聚四氫呋喃 (作粘結劑)，球料比為l:ll，球磨轉速為36轉/分鐘，球磨混合時間為50小時，球 磨分散后的槳料經噴霧干燥(噴嘴出口溫度9(TC)、精密壓制成形后，再經3小時的預 燒(200 500°C)，最后在1450'C的112和Ar氣氛下保溫燒結60分鐘，制得納米WC-Co 復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷。
測出上述金屬陶瓷的力學性能指標為抗彎強度為1970MPa，硬度為HRA92.2，斷 裂韌性KlC為9.53MPam1/2。將上述金屬陶瓷制備成車刀片(CNMG120408-DF)加工 42CrMo，加工參數為切削速度V=200m/min、切深Ap=lmm、進給fN).2mm/z,最后測 試得到車刀片的切削壽命為20分鐘。
對比試驗將同樣成分、沒有復合粉改性的原料粉末按下述質量配比混合9%WC (粉末平均粒度1.5微米)、7%Mo2C、 12% (Ta,Nb) C、 46%Ti (CN)、 10%TiC、 9%Co 和7%Ni，再以現有的粉末冶金技術制備成金屬陶瓷，其性能指標為抗彎強度為 1680MPa,硬度為HRA92.0，斷裂韌性KlC為8.27MPam1/2。將該金屬陶瓷制備成車刀片 (CNMG120408-DF)加工42CrMo，加工參數為切削速度V=200m/min、切深Ap-lmm、 進給fK).2mm/Z，測試得到車刀片的切削壽命僅為13分鐘。
實施例3:
按以下的質量配比準備原料粉末27%的納米WC-5%Co復合粉、40%的11 (CN) 粉、7%的(Ta^ Nb) C粉末、4%的Mo2C粉、10%的TiC粉、6%的Co和6%的Ni，其中納米WC-Co復合粉的粒度為50 100納米，其余原料粉末的平均粒度小于1.5微米。 將上述原料粉末放入球磨機中，用無水乙醇作為研磨介質，用硬質合金作為研磨體， 加入原料粉末總量0.8%的吐溫(作分散劑)、3%的聚乙二醇和1%的聚四氫呋喃(作粘結 劑)；球料比為l : 10，球磨轉速為36轉/分鐘，球磨混合時間為52小時，球磨漿料經真 空干燥(88'C) 2小時、精密壓制成形后，再經3小時的預燒(200 50(TC)，最后在 146(TC下真空燒結，保溫70分鐘，制得納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷。 測出上述金屬陶瓷的力學性能指標為抗彎強度為1730MPa，硬度為HRA93.2,斷 裂韌性Kjc為8.67MPam1/2。
實施例4:
按以下的質量配比準備原料粉末6%的納米WC-20%Co復合粉、61。/。的Ti (CN) 粉、2%的(Ta,Nb) C粉末、11。/。的Mo2C粉、2。/。的TiC粉、8%的Co和10%的Ni，其 中納米WC-Co復合粉的粒度為50 100納米，其余原料粉末的平均粒度小于1.5微米。
將上述原料粉末放入球磨機中，用無水乙醇作為研磨介質，用硬質合金作為研磨體， 加入原料粉末總量0.8%的吐溫(作分散劑)、3%的聚乙二醇和1%的聚四氫呋喃(作粘結 劑)；球料比為1 : 12，球磨轉速為36轉/分鐘，球磨混合時間為44小時，球磨漿料經真 空干燥(88°C) 2小時、精密壓制成形后，再經3小時的預燒(200 500°C)，最后在 1420°C、 70個標準大氣壓的壓強下燒結，保溫50分鐘，制得納米WC-Co復合粉改性的 Ti (CN)基金屬陶瓷。
測出上述金屬陶瓷的力學性能指標為抗彎強度為2210MPa，硬度為HRA91.3，斷 裂韌性K!c為11.09MPam1/2 。
權利要求
1. 一種納米WC-Co復合粉改性的Ti(CN)基金屬陶瓷，以Ti(CN)作為主要基材，以鈷和/或鎳作為粘結相，其特征在于所述金屬陶瓷是由下列各質量分數的原料粉末混合后，經粉末冶金工藝制備得到納米WC-Co復合粉 6～27％Ti(CN)粉和碳化鈦粉35～65％鉭鈮固溶體粉末2～15％碳化鉬粉或鉬粉1～15％鈷和/或鎳 6～25％上述納米WC-Co復合粉中的鈷在該復合粉中的質量分數為5～20％，Ti(CN)粉和碳化鈦粉中碳原子與氮原子的摩爾比為3∶7～7∶3。
2、 根據權利要求l所述的納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷，其特征 在于所述納米WC-Co復合粉的粒度為100納米以下。
3、 根據權利要求1所述的納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬陶瓷，其特征 在于所述納米WC-Co復合粉以外的其他原料粉末為微米或亞微米粉末，其純度均大于 99%，且平均粒度均小于1.5微米。
4、 一種權利要求1 3中任一項所述的納米WC-Co復合粉改性的Ti (CN)基金屬 陶瓷的制備方法，依次包括以下工藝步驟原料粉末的球磨破碎、納米WC-Co復合粉的 分散、按比例混合各原料粉末、原料粉末的球磨分散、球磨槳料的干燥、精密壓制、預 燒以及真空燒結或多氣氛燒結或高溫壓力燒結；所述球磨分散過程中，用無水乙醇或甲醇作為研磨介質，用硬質合金作為研磨體， 加入原料粉末總重量0.3 1%的分散劑和4 5%的粘結劑，球料比為1:6 12，球磨分 散時間為20 90小時；所述球磨漿料的干燥是采用噴霧干燥方式或者采用真空干燥方 式，干燥溫度為80 95°C，干燥時間90 150分鐘；所述預燒的溫度為200 500°C， 時間為2 4小時；所述真空燒結或多氣氛燒結的燒結溫度為1400 147(TC，保溫時 間為50 90分鐘；所述高溫壓力燒結的燒結溫度為1390 1440°C，壓強為45 70個標 準大氣壓，保溫時間為40 60分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種納米WC-Co復合粉改性的Ti(CN)基金屬陶瓷及其制備方法，該金屬陶瓷以碳氮化鈦作為主要基材，其原料粉末以金屬鈷和/或鎳為粘結劑，以碳化物、鉭鈮固溶體為添加劑，其主要特征在于添加有原料粉末質量6.0～27％的納米WC-Co復合粉；上述原料粉末經球磨破碎、納米WC-Co復合粉的分散、均勻混合、壓制成形、真空或壓力燒結等步驟后可制得本發明的金屬陶瓷。本發明的納米WC-Co復合粉改性的Ti(CN)基金屬陶瓷與傳統的金屬陶瓷相比，由于強化了粘結相和晶界，使其具有更好的耐磨性、更高的強度、斷裂韌性和紅硬性，用其制備的刀具具有優良的切削性能。
文檔編號C22C30/00GK101255520SQ20081003101
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月7日 優先權日2008年4月7日
發明者周書助, 唐宏琿, 張潔堯, 屏 李, 偉 潘, 王社權, 胡茂中 申請人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司