專利名稱：一種金屬陶瓷切削工具材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于機械加工和粉末冶金領域，具體涉及一種基于粒徑優化組合方式的金屬陶瓷切削工具材料及其制備方法。
背景技術：
Ti (C，N)基金屬陶瓷刀具因具有較高的硬度、耐磨性、紅硬性、優良的化學穩定性以及極低的摩擦系數而受到國內外的普遍關注，主要應用于鋼材和鑄鐵的高速精加工。Ti (C，N)基金屬陶瓷已顯示了其作為傳統的WC-Co硬質合金的升級替代材料的巨大潛力。其高溫硬度優于高速鋼和WC基硬質合金，韌性優于陶瓷和超硬材料刀具，在加工范圍上也剛好填補了 WC基硬質合金刀具與陶瓷刀具之間的空白。近年來我國有關部門也投入大量力量并已研制出一些牌號的Ti (C，N)基金屬陶1瓷刀具，其產品在切削領域可以部分取代YG8、YT15等硬質合金刀具。但國內的硬質合金和金屬陶瓷刀具的生產狀況不容樂觀，表現出來的特征是生產質量不穩定，無法與進口刀片相媲美。中國市場上正在試用的金屬陶瓷刀具的綜合性能明顯低于日本市場上常用的金屬陶瓷刀具的性能，且產品性能不穩定，特別是強韌性較差，因此金屬陶瓷刀具基本上沒有得到實際應用。目前中國刀具市場上大部分高檔刀具均依賴進口，而進口刀具的成本相當昂貴,甚至還得配套進口機床,這使工件加工的成本大大增加。國內現有已公開專利技術皆公布了具有表面硬度> 92.0HRA，抗彎強度^ 2000Mpa的金屬陶瓷切削工具材料的制備技術，但其制備技術大多過于繁復，過程控制難度較大，難于制備出穩定的高性能燒結體，實際所制備燒結體均勻性較差。且目前國內市場上也未見穩定的高性能國產的Ti (C，N)基金屬陶瓷產業化產品。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種良品率高、質量穩定、綜合性能好的金屬陶瓷切削工具材料及其制備方法。本發明采用這樣的技術方案來實現，本發明一種金屬陶瓷切削工具材料，由以下各組分原始粉末制成=Ti (C，N)-Ni-Mo-WC-Cr2C3-C,各個組分的添加量按照重量百分比計為Ni 13% 22%, Mo 10%"16%, Cr2C3 ^ I. 0%, C O. 8% 1.5%, WC 5% 12%，其余為 Ti (C，N)；其中，原始粉末中各組分顆粒的粒徑采用優化組合方式配比，各組分粉末顆粒按其粒徑分布范圍不同可以分為兩級分布或三級分布；進一步，所述三級分布為，原始粉末中各組分顆粒的粒徑分布范圍為2^3um, Γ1. 5um, O. Γθ· 8um，各組分中各級粒徑分布范圍的顆粒在該組分中的重量百分比分別為50% 65%，25% 40%，10% 25% ；進一步，所述原始粉末中，C、N原子比為2· 5^3. 2，Mo/(Mo+Ni) =0. 2(Πλ 35。一種金屬陶瓷切削工具材料的制備方法，包含以下步驟步驟一，配料
將原始粉末按照各組分的重量比，以粒徑優化組合方式配制混合粉，用常規的混料方法將混合粉在球磨罐內采用濕混工藝充分混合，干燥后得混合料。步驟二，成型將步驟一中獲得的混合料在模具內壓制成形，壓制壓力為15(T200Mpa。步驟三，燒結設定燒結升溫曲線，將步驟二獲得的壓坯采用先期高真空燒結，燒結溫度范圍低壓燒結的方法燒制成型，在燒結溫度以下采用高真空燒結，在燒結溫度區間內采用低壓燒結。步驟四，冷卻
燒結完成后將材料冷卻至室溫。其中，所述步驟三的燒結過程為在400°C以下，真空度保持在l(TlO_2Pa之間，以保證試樣中所含的水分和酒精等有機物的有效揮發；溫度高于400°C 1400°C，真空度保持在IO-2KT3Pa,便于試樣在液相出現前，氣體盡可能地揮發、排除，有利于后續燒結時材料致密度的提高；燒結溫度在1400°C 1450°C區間，采用低壓燒結方式，所充氣體為氬氣，氣壓為4 5MPa，進一步提高燒結體的致密度；進一步，為提高燒結效率和降低燒結試樣的內應力，防止試樣彎曲開裂，所述步驟四的冷卻方式，在145(Tl050°C溫度區間采用快冷-緩冷-快冷-爐冷相結合的方式；首先快冷，冷卻速度5 9°C /min，冷卻l(T20min ;緩冷，冷卻速度2 O. 5°C /min，冷卻45 180min ；再快冷，冷卻速度15 25°C /min，冷卻8 15min ; 1050°C以后為爐冷。本發明所采用的技術方案具有以下有益效果混合料原始粉末的粒徑優化組合，有利于提高坯體的壓實密度；先期高真空燒結、燒結溫度范圍低壓燒結，所制備出的燒結體材料致密無氣孔，其組織為硬質相成網狀骨架連接，硬質相顆粒具有芯殼結構(圖4);再采用快冷緩冷和爐冷相結合的控制冷卻工藝，獲得了具有較高的硬度和韌性的匹配組合性能的勻質基體材料；該燒結體材料密度為6. 4^6. 6g/cm2,硬度為92. Γ92. 8HRA,抗彎強度為200(T2700Mpa ;且制備過程容易控制，燒結體質量穩定，良率穩定在95%以上，可很好的適用于切削工具材料，各類模具材料，及其它相關需求制品用途。


圖I為本發明實施例的成型壓制曲線。圖2為本發明實施例燒結工藝及真空度曲線圖。圖3為本發明金屬陶瓷切削工具材料的金相組織結構圖。圖4為本發明實施例的金屬陶瓷切削工具材料的微觀組織結構圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步說明，并不將本發明限制在所述的實施例范圍之內。實施例廣9的配料方案采用本發明中原始粉末組成方案(表I)和各組分粒徑優化組合方案(表2)進行。配料完成后，采用常規的濕混工藝在混料罐內充分混合，干燥后得制成粉。在一定的壓力(160Mpa)下壓制成形，壓制曲線如圖I所示。壓坯放入真空爐內進行先期高真空燒結，在400°C以下，真空度保持在l(TlO_2Pa之間，溫度在400°C 1400°C，真空度保持在10_210_3Pa，然后沖入氬氣進行低壓燒結，燒結溫度列于表3中，燒結時間I小時，氣體壓力為4MPa，燒結工藝如圖2所示。燒結完成后，降溫階段設置在溫度區間1420°C 1050°C為控制冷卻階段，采取先快冷后緩冷、再快冷的方法，第一階段快速冷卻速度rc /min，冷卻至1330°C，緩冷冷卻速度1°C /min，冷卻至1240°C，第二階段快冷冷卻速度21。。/min，冷卻至10500C ;然后爐冷。每個實施例隨機選取10個樣品進行性能測試，所得燒結體性能指標如表3所示。由表3可以看出，采用本發明技術方案獲得的金屬陶瓷切削工具材料燒結體硬度均在92HRA以上，抗彎強度均在2000Mpa以上，且數據穩定性非常好，偏差很小。每個實施例隨機選取2 3個樣品進行金相和SEM組織測試，可以看出燒結體致密無明顯氣孔，燒結體的組織為硬質相成網狀骨架連接，硬質相顆粒具有芯殼結構。其中實施例I樣品的金相組織和微觀組織結構分別如圖3和圖4所示。 表I金屬陶瓷切削工具材料原始粉末組成方案
成分組原始粉末各組分所占― 量比(wt%)原始粉末中原子比
_Ti(C’N) Ni Mo WC Cr;C.； C_C: N MoZ(Mo-Ni)
成分組 I 剩余 22 11 8.9 0.6 1.5 2.94:1 0.23 成分組 2 剩余 19.5 11 8.9 0.6 1.5 2.92:1 0,26 成分組 3 剩余 18 10 8.9 0.6 1.52.91:1_0-25表2原始粉末中各組分粒徑優化組合方案
粒徑組合I粒社組合2粒社組合3
粒徑范圍
(wt%)(wt%)(wt%)2-3腦5060551-1.5 urn 30 30 30
0.4—0.8um201015表3本發明金屬陶瓷切削工具材料燒結體的性能測試結果成分粒彳 優化>Κ制力ftiK燒結溫液相燒結燒結體硬度燒結體抗彎
劣施例
__組合fMpa)時間s度1^溫度加壓 HRA強度Mpa
I:施例 I 成分組 2粒衿組合 I1602014304MPa92.3, σ=0.072300, σ=28.3
劣施例 2 成分纟H 2粒徑#1 合 2I602014204MPa92.4, σ=0.072240, σ=35.4
實施例 3 成分組 2粒徑組合 31602014104MPa92.5, σ=0.0942190, σ=42.4
實施例 4 成分組1粒徑組合 I1602014204MPa92.1,σ=0.072670. σ=25.6
實施例 5 成分組 I粒徑組合 21602014304MPa92.3, σ=0.072480, σ=30.4 實施例 6 成分組 I粒徑組合 31602014104MPa92,2, σ=0.072550, σ=47.8
實施例 7 成分組 3粒徑組合 I1602014104MPa92.4, σ=0.072230, σ=28.3
實施例 8 成分組 3粒徑 P)合 2ItO2014304MPa92.8,σ=0.1142130, σ=67.5
實施例 9 成分組3粒徑組合 31602014204MPa92,6, σ=0.072260,σ=69,1實施例I、分3批3爐次進行了燒結，標記為爐次廣3，每個爐次的燒結溫度與表3對應。為了測試本發明金屬陶瓷切削工具材料性能的穩定性以及數據重現性，將實施例Γ9的實驗過程重復進行兩批次，分別對應編號分別為實施例I’和實施例1”、”，燒結爐次分別標記為爐次4飛和爐次7 9，按照爐次順序，將各實施例按爐次的性能分布列于表4中。由表4可以看出，采用本發明技術方案獲得的金屬陶瓷切削工具材料，其性能參數指標具有良好的再現性，說明燒結體質量穩定，良品率高。表4燒結體的爐次性能分布

權利要求
1.一種金屬陶瓷切削工具材料，由以下各組分原始粉末制成 Ti (C，N)-Ni-Mo-WC-Cr2C3-C,各個組分的添加量按照重量百分比計為Ni13% 22%, Mo 10%"16%, Cr2C3 ( I. 0%, C O. 8% 1· 5%, WC 5% 12%，其余為 Ti (C，N)，其特征在于所述原始粉末中各組分顆粒的粒徑采用優化組合方式配比，各組分粉末顆粒按其粒徑分布范圍不同分為三級分布。
2.根據權利要求I所述的一種金屬陶瓷切削工具材料，其特征在于所述三級分布為，原始粉末中各組分顆粒的粒徑分布范圍為2 3um, I"!. 5um, O. 4"O. 8um,各組分中各級粒徑分布范圍的顆粒在該組分中的重量百分比分別為50% 65%，25% 40%，10% 25%。
3.根據權利要求I或2所述的一種金屬陶瓷切削工具材料，其特征在于所述原始粉末中，C、N 原子比為2. 5 3. 2, Mo/(Mo+Ni)=0. 20 0· 35。
4.一種制備如權利要求I所述的金屬陶瓷切削工具材料的方法，其特征在于依次包含以下步驟 (1)配料 將原始粉末按照各組分的重量比，以粒徑優化組合方式配制混合粉，用常規的混料方法將混合粉在球磨罐內采用濕混工藝充分混合，干燥后得制成混合料； (2)成型 將步驟(I)中獲得的混合料在模具內壓制成形，壓制壓力為15(T200Mpa ； (3)燒結 設定燒結升溫曲線，將步驟(2)獲得的壓坯采用先期高真空燒結，燒結溫度范圍進行低壓燒結的方式燒制成型，在燒結溫度以下采用高真空燒結，在燒結溫度區間內采用低壓燒結； (4)冷卻 燒結完成后將材料冷卻至室溫。
5.根據權利要求4所述的制備金屬陶瓷切削工具材料的方法，其特征在于所述燒結過程中，溫度在400°C以下時，真空度保持在KTlO-2Pa之間；溫度在400°C 1400°C之間時，真空度保持在10_，10_3Pa ;溫度在1400°C 1450°C的燒結溫度區間時，采用低壓燒結方式。
6.根據權利要求4所述的制備金屬陶瓷切削工具材料的方法，其特征在于所述低壓燒結過程中充入的氣體為氬氣，氣壓為4 5MPa。
7.根據權利要求4所述的制備金屬陶瓷切削工具材料的方法，其特征在于所述冷卻在145(Tl050°C溫度區間內采用快冷-緩冷-快冷-爐冷相結合的方式；首先快冷，冷卻速度5 9°C /min,冷卻l(T20min ;緩冷，冷卻速度2 O. 5°C /min,冷卻45 180min ;再快冷，冷卻速度15 25°C /min，冷卻8 15min ; 1050°C以后為爐冷。
全文摘要
本發明公開了一種金屬陶瓷切削工具材料及其制備方法，由以下各組分原始粉末制成Ti(C,N)-Ni-Mo-WC-Cr2C3-C，各個組分的添加量按照重量百分比計為Ni13%~22%，Mo10%~16%，Cr2C3≤1.0%，C0.8%~1.5%，WC5%~12%，其余為Ti(C,N)，所述金屬陶瓷切削工具材料原始粉末中各組分顆粒的粒徑采用優化組合方式配比，制備過程中采用先期高真空燒結，燒結溫度范圍進行低壓燒的方式燒制成型。通過本發明能夠獲得良品率高、質量穩定、綜合性能好的金屬陶瓷切削工具材料。
文檔編號C22C30/00GK102828096SQ20121034751
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者張大勇, 石增敏 申請人:天津瑞克曼德科技發展有限公司