本發明屬于新材料技術領域，尤其涉及一種超細晶高性能

ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料及制備方法

背景技術：

作為高速切削刀具，碳氮化鈦基金屬陶瓷主要原材料豐富，制造成本低，且紅硬性、熱化學性、耐磨性優良，在淬硬鋼、馬氏體不銹鋼等材料的高速精加工與半精加工領域顯示出良好的發展前景。然而，碳氮化鈦基金屬陶瓷的強韌性不足，在服役過程中易出現剝落甚至微崩刃現象。細晶強化是可同時提高材料強度、硬度、塑性和韌性的有效方法。另外，通過添加適當的碳化物可提高陶瓷相與粘結相之間的潤濕性，增強陶瓷相在粘結相中的溶解性，從而可細化晶粒，而且陶瓷相在粘結相中分布更均勻，從而可提高材料強度、硬度、塑性和韌性。研究表明，通過細化晶粒，可增大單位體積內的晶粒數目，使變形分散在更多的晶粒內進行，減小位錯塞積群中位錯的數目，降低應力集中，抑制裂紋的過早產生。因此，通過添加碳化物和細晶強化，可望制備出高強韌性的碳氮化鈦基復合金屬陶瓷。

傳統的ti(c,n)-tib2復合金屬陶瓷刀具材料制備方法由ti(c,n)粉末、tib2粉末和金屬粘結劑粉末混料、燒結等工序組成。當ti(c,n)原料粒徑減小到超細尺度以下，其表面積和表面能急劇增大，生產、儲存及混合過程中易出現吸氧、團聚現象。而且燒結好的刀具材料其微觀晶界間會有不定量的夾雜物，其晶粒大小也不均勻，因此在顆粒表面會出現氧化膜，在團聚體之間則出現大孔隙。上述工藝的燒結溫度大多控制在1400-1800℃之間，保溫時間1h以上，這種高溫長時間的燒結往往會造成ti(c,n)晶粒的迅速長大。添加晶粒生長抑制劑雖能一定程度上阻止ti(c,n)顆粒的粗化，也難以達到超細尺度。利用放電等離子燒結技術可低溫快速制備超細晶甚至納米級ti(c,n)基金屬陶瓷，但產物孔隙率偏高。此外，商用ti(c,n)粉體常由tic和tin、或ti、tic及n2在高溫環境固溶而成，價格昂貴。

本發明克服上述問題，從產品的制備方法及配方著手，提出一步法原位合成ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料的制備方法。而且制備出了性能優異的ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷切削刀片。本發明制成的金屬陶瓷刀片具有高的硬度和耐磨性，耐腐蝕性，低的孔隙度和低的成本，可用于高速切削304奧氏體不銹鋼，42crmo淬硬鋼，p20塑料模具預硬鋼等硬質合金刀具已無法勝任的難加工材料。

技術實現要素：

本發明的目的在于避開了傳統粉末冶金法中低溫燒結時的不致密ti(c,n)和高溫燒結時的晶粒粗化現象，并克服了燒結體晶界處存在雜質降低了晶界結合力和陶瓷相在粘結相中溶解性小的問題。提出用一種超細晶高性ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料及制備方法。

本發明的基本思路是將燃燒合成與熱壓燒結技術相結合，燃燒合成反應溫度高、冷卻速度快，在燃燒反應產生的短時間高溫(試樣短時間內處于紅熱軟化狀態)與外加壓力耦合作用下，致密化過程加快。此外，高的燃燒溫度有助于粉末中殘余氣體和雜質的揮發，提高界面結合強度與燒結體的致密度。因此，利用反應熱壓燒結技術，通過優化反應體系配比、工藝參數以及碳化物的加入，可在高溫燒結溫度下，獲得超細、高純、高致密ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷。

本發明提供一種超細晶高性能ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料，所述刀具材料所用原料及配比如下：co：8wt.％(純度99wt.％，粒度<1μm)，ti：53-69wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，c：1-4wt.％(純度98wt.％，粒度<1μm)，bn：10-14wt.％(純度99wt.％，粒度<0.5μm)，wc：5-25wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。

上述刀具材料是原料通過一步法原位反應合成。

其中一種一體化原位合成碳化物添加的高純、超細晶ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成co：8wt.％，ti：53wt.％，c：1wt.％，bn：10wt.％，wc：25wt.％。

其中一種一體化原位合成碳化物添加的高純、超細晶ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成co：8wt.％，ti：57wt.％，c：2wt.％，bn：11wt.％，wc：20wt.％。

其中一種一體化原位合成碳化物添加的高純、超細晶ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成co：8wt.％，ti：61wt.％，c：2.5wt.％，bn：12wt.％，wc：15wt.％。

其中一種一體化原位合成碳化物添加的高純、超細晶ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成co：8wt.％，ti：65wt.％，c：3wt.％，bn：13wt.％，wc：10wt.％。

其中一種一體化原位合成碳化物添加的高純、超細晶ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具，由下列重量份的原料制成co：8wt.％，ti：69wt.％，c：4wt.％，bn：14wt.％，wc：5wt.％。

本發明還提供一種上述超細晶高性能ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料的制備方法，所述方法的具體制備工藝為：把一定比例的原料粉末放入滾筒式球磨機中干混24小時，球磨機轉速為400r/min，研磨介質為8mm直徑的氧化鋯球，球料比8:1。待粉末均勻混合后，放入直徑為20mm的圓柱形石墨模具中預壓10min，壓強為20mpa。然后，把粉末壓坯放入真空熱壓燒結爐中加熱到設定溫度(室溫到800℃，加熱速率為10℃/min；800℃以上，加熱速率為5℃/min)，保溫60min后隨爐冷卻。燒結溫度為1400-1800℃，為獲得高致密材料，在900℃致設定溫度區間，施加20mpa的單向壓力，在1400-1800℃保溫時施加單向壓力為35-45mpa。

最后，制備出高性能金屬陶瓷刀具坯料，磨制成刀片。

采用該工藝合成的ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料xrd檢測結果表明，反應完全，反應產物中僅有co、tib2、ti(c,n)和wc相，表明制備出了高純的碳氮化鈦基金屬陶瓷；sem結果表明晶粒度小于700納米，粘結相和第二相顆粒均勻分布在基體上；致密度大于99％以上，硬度為20-21gpa，斷裂韌性為7-9mpa.m^1/2。

本發明構思新穎，一步法原位合成的ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料，具有純度高、晶粒超細，組織致密分布均勻，硬度及斷裂韌度高、工藝方法簡單，原料成本低，易于實現產業化等優點。該發明還可以廣泛應用于模具、耐磨機械零件等耐磨結構件的開發制備。

本發明具有如下有益效果：1、本發明所述刀具材料具有純度高、晶粒超細，組織致密分布均勻，硬度及斷裂韌度高等優點，可以廣泛應用于模具、耐磨機械零件等耐磨結構件的開發制備；2、本發明制備刀具材料的方法工藝方法簡單，原料成本低，易于實現產業化；3、本發明方法制得的金屬陶瓷刀具與傳統的金屬陶瓷刀具相比，具有更高的硬度和耐磨性，其熱穩定性，耐磨性，導熱性，抗氧化性以及高溫硬度，高溫強度，切削性能都有明顯優勢。

附圖說明

圖1為本發明實施例1一步法原位合成的ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料優化樣品及已磨制成形刀片；

圖2為本發明實施例1一步法原位合成的ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料優化樣品的拋光sem圖；

圖3為本發明實施例1一步法原位合成的ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料優化樣品的斷口sem圖。

五、具體實施方式

為了更好的說明本發明的技術方案，下面結合具體實施例來進一步說明本發明的技術方案。

以下各實施例所述用于制成刀片可進行切削相應材料的金屬陶瓷材料為最優選而已，并不用于限制本發明。相關技術人員依然可以根據前述方案做相應修改。或者對其中部分技術特征做等同替換。凡在本發明精神和原則之內做的任何修改，等同替換和改進等。均應包含在本發明的保護范圍之內。

實施例1：

按照附表中的組分比例的原料粉末放入滾筒式球磨機中干混24小時，球磨機轉速為400r/min，研磨介質為8mm直徑的氧化鋯球，球料比8:1。待粉末均勻混合后，取出過100目篩，然后稱取一定質量的粉末放入直徑為20mm的圓柱形石墨模具中預壓10min，壓強為20mpa。再把裝有粉末壓坯的石墨模具放入真空熱壓燒結爐中加熱到設定溫度(室溫到800℃，加熱速率為10℃/min；800℃以上，加熱速率為5℃/min)，保溫60min后隨爐冷卻。燒結溫度為1400℃～1800℃，為獲得高致密材料，在900℃致設定溫度區間，施加20mpa的單向壓力，保溫時施加單向壓力為35mpa。試樣的機械性能如表1所示。

實施例2：

刀具材料成分為：co：8wt.％(純度99wt.％，粒度<1μm)，ti：53wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，c：1wt.％(純度98wt.％，粒度<1μm)，bn：10wt.％(純度99wt.％，粒度<0.5μm)，wc：25wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。

具體制備工藝為：將原料粉末放入滾筒式球磨機中干混24小時，球磨機轉速為400r/min，研磨介質為8mm直徑的氧化鋯球，球料比8:1。待粉末均勻混合后，取出過100目篩，然后稱取一定質量的粉末放入直徑為20mm的圓柱形石墨模具中預壓10min，壓強為20mpa。再把裝有粉末壓坯的石墨模具放入真空熱壓燒結爐中加熱到設定溫度(室溫到800℃，加熱速率為10℃/min；800℃以上，加熱速率為5℃/min)，保溫60min后隨爐冷卻。燒結溫度1400℃～1800℃，為獲得高致密材料，在900℃致設定溫度區間，施加20mpa的單向壓力，保溫時施加單向壓力為35-45mpa。

刀片磨制及使用：將最優選ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料在磨床上用金剛石砂輪磨成各種標準刀片。刀片角度和切削參數相同的條件下，精加工304奧氏體不銹鋼時，其被加工材料的表面光潔度，刀具壽命都優于ti(c,n)金屬陶瓷刀具和硬質合金刀具。滿足粗糙度要求時，其切削長度為硬質合金的8倍，是金屬陶瓷刀具的3倍。

實施例3：

刀具材料成分為：co：8wt.％(純度99wt.％，粒度<1μm)，ti：57wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，c：2wt.％(純度98wt.％，粒度<1μm)，bn：11wt.％(純度99wt.％，粒度<0.5μm)，wc：20wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。

具體制備工藝為：將原料粉末放入滾筒式球磨機中干混24小時，球磨機轉速為400r/min，研磨介質為8mm直徑的氧化鋯球，球料比8:1。待粉末均勻混合后，取出過100目篩，然后稱取一定質量的粉末放入直徑為20mm的圓柱形石墨模具中預壓10min，壓強為20mpa。再把裝有粉末壓坯的石墨模具放入真空熱壓燒結爐中加熱到設定溫度(室溫到800℃，加熱速率為10℃/min；800℃以上，加熱速率為5℃/min)，保溫60min后隨爐冷卻。燒結溫度1400℃～1800℃，為獲得高致密材料，在900℃致設定溫度區間，施加20mpa的單向壓力，保溫時施加單向壓力為35-45mpa。

刀片磨制及使用：將最優選ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料在磨床上用金剛石砂輪磨成各種標準刀片。刀片角度和切削參數相同的條件下，精加工42crmo淬硬鋼時，其被加工材料的表面光潔度，刀具壽命都優于ti(c,n)金屬陶瓷刀具和硬質合金刀具。滿足粗糙度要求時，其切削長度為硬質合金的6倍，是金屬陶瓷刀具的2倍。

實施例4：

刀具材料成分為：co：8wt.％(純度99wt.％，粒度<1μm)，ti：61wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，c：2.5wt.％(純度98wt.％，粒度<1μm)，bn：12wt.％(純度99wt.％，粒度<0.5μm)，wc：15wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。

具體制備工藝為：將原料粉末放入滾筒式球磨機中干混24小時，球磨機轉速為400r/min，研磨介質為8mm直徑的氧化鋯球，球料比8:1。待粉末均勻混合后，取出過100目篩，然后稱取一定質量的粉末放入直徑為20mm的圓柱形石墨模具中預壓10min，壓強為20mpa。再把裝有粉末壓坯的石墨模具放入真空熱壓燒結爐中加熱到設定溫度(室溫到800℃，加熱速率為10℃/min；800℃以上，加熱速率為5℃/min)，保溫60min后隨爐冷卻。燒結溫度1400℃～1800℃，為獲得高致密材料，在900℃致設定溫度區間，施加20mpa的單向壓力，保溫時施加單向壓力為35-45mpa。

刀片磨制及使用：將最優選ti(c,n)-tib2-wc復合金屬陶瓷刀具材料在磨床上用金剛石砂輪磨成各種標準刀片。刀片角度和切削參數相同的條件下，精加工p20塑料模具預硬鋼時，其被加工材料的表面光潔度，刀具壽命都優于ti(c,n)金屬陶瓷刀具和硬質合金刀具。滿足粗糙度要求時，其切削長度為硬質合金的10倍，是金屬陶瓷刀具的4倍。

以上案例中的刀具材料成分還可以為：

co：8wt.％(純度99wt.％，粒度<1μm)，ti：65wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，c：3wt.％(純度98wt.％，粒度<1μm)，bn：13wt.％(純度99wt.％，粒度<0.5μm)，wc：10wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。

或取：co：8wt.％(純度99wt.％，粒度<1μm)，ti：69wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.8μm)，c：4wt.％(純度98wt.％，粒度<1μm)，bn：14wt.％(純度99wt.％，粒度<0.5μm)，wc：5wt.％(純度99.9wt.％，粒度<0.4μm)。

表1實施例1-4參數及燒結體性能附表