本發明屬于陶瓷刀具，更具體地，涉及一種高熵碳化物刀-高熵碳氮化物的陶瓷刀具及其制備方法和應用。

背景技術：

1、高熵陶瓷是近年來出現的一種新的材料設計理論，目前是材料研究領域的熱點，其概念最初由高熵合金發展而來。高熵陶瓷一般是由四種或四種以上陽離子以等物質的量或近等物質的量組成的多組元單相固溶體。高熵陶瓷因其特有的“高熵效應”，使其相較于其組成的單相物質，具有高強度﹑硬度、優異的耐磨性、優異的耐高溫強度、良好的結構穩定性和良好的耐蝕性和抗氧化性。由于組分的增加,用于探索和發現新材料的組合空間大大增加。高嫡陶瓷由于組分的增加,陶瓷體系的構型嫡增加,導致其吉布斯自由能下降，使得陶瓷體系更為穩定，性能表現出優異的穩定性。另外，由于各種原子隨機分布在晶格點陣中，每個原子周圍的環境以及占位均不一樣，使得晶格內部有更多的晶格畸變和缺陷，滑移困難，性能提高。

2、對于高熵碳化物材料具有優異的力學性能，適合用于刀具領域，但由于韌性較低，在用于車削過程中其后刀面磨損較快，而對于高熵碳氮化物材料，氮元素的引入提高了材料的構型熵與高熵材料體系的穩定性，進而提升材料的韌性并具有更好的耐磨性能。如果能結合以上兩種高熵材料的優異性能，有望使高熵陶瓷刀具，實現對諸如灰鑄鐵、球墨鑄鐵等高硬度、高切削溫度、容易發生粘結材料的高速、長壽命的切削。因此，目前亟需設計并開發一種兼具高熵碳化物與高熵碳氮化物陶瓷特性的切削刀具。

技術實現思路

1、為了解決上述現有技術存在的不足和缺點，本發明的目的在于提供一種高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具。該陶瓷刀具以高熵碳化物作為刀尖，碳氮化物陶瓷作為后刀面。高熵碳化物陶瓷的組分是(ti0.2zr0.2nb0.2ta0.2w0.2)c為主，高熵碳氮化物陶瓷是以(ti0.2zr0.2nb0.2ta0.2w0.2)cxn1-x(0.1≤x≤0.9)的高熵碳氮化物作為主相，加入少量金屬粉體(co，ni，mo)作為增強相，刀尖具有比高熵碳氮化物更高的硬度，而后刀面具有比高熵碳化物更高的韌性。

2、本發明的另一目的在于提供上述高熵碳化物刀尖-高熵碳氮化物后刀面結構的陶瓷刀具的制備方法。該方法將高熵碳化物和高熵碳氮化物放置在不同的區域進行燒結。

3、本發明的再一目的在于提供高熵碳化物刀尖-高熵碳氮化物后刀面結構的陶瓷刀具的應用。該刀具可應用于高速切削灰鑄鐵、球墨鑄鐵。

4、本發明的目的通過下述技術方案來實現：

5、一種高熵碳化物刀尖-高熵碳氮化物后刀面結構的陶瓷刀具包括刀尖高熵碳化物相(ti0.2zr0.2nb0.2ta0.2w0.2)c和后刀面高熵碳氮化物相(ti0.2zr0.2nb0.2ta0.2w0.2)cxn1-x，0.1≤x≤0.9。

6、優選地，所述陶瓷刀具是將等摩爾比的tic、zrc、nbc、tac和wc進行球磨混合，制得碳化物混合粉體，將tic、zrc、nbc、tac、wc、tin、zrn、nbn、tan、wn與燒結助劑ni粉體球磨混合，制得碳氮化物混合粉體；然后將碳氮化物混合粉體和碳化物混合粉體先后放入石墨模具中，用1～3t的壓力保壓1～3min，在真空環境下，加壓30～50mpa，在1600～1800℃進行放電等離子燒結制得。

7、優選地，所述的陶瓷刀具的致密度為98％以上，高熵碳化物相的維氏硬度為26～29gpa，斷裂韌性為4～6mpa·m1/2，高熵碳氮化物相的維氏硬度為23～25gpa，斷裂韌性為7～9mpa·m1/2。

8、優選地，所述燒結助劑ni粉體為碳氮化物混合粉體的5～10vol％。

9、所述的高熵碳化物刀尖-高熵碳氮化物后刀面結構的陶瓷刀具的制備方法，包括以下具體步驟：

10、s1.將等摩爾比的tic、zrc、nbc、tac與wc混合，以無水乙醇為溶劑，si3n4為球磨介質，球磨混合后干燥，得到碳化物混合粉體，其分子式為(ti0.2zr0.2nb0.2ta0.2w0.2)c；

11、s2.將tic、zrc、nbc、tac、wc、tin、zrn、nbn、tan、wn與ni粉混合，以無水乙醇為溶劑，si3n4為球磨介質，球磨混合干燥，得到碳氮化物混合粉體，其分子式為(ti0.2zr0.2nb0.2ta0.2w0.2)cxn1-x，0.1≤x≤0.9；

12、s3.將碳氮化物混合粉體先放入帶有十字槽壓柱的石墨模具，用1～3t的壓力保壓1～3min，再將十字槽壓柱更換成圓底壓柱并將碳化物混合粉體放入石墨模具中，用1～3t的壓力保壓1～3min，在真空環境下，加壓30～50mpa，在1600～1800℃放電等離子燒結，制得高熵碳化物-高熵碳氮化物復合陶瓷；

13、s4.將高熵碳化物-高熵碳氮化物復合陶瓷進行加工，以高熵碳化物作為刀尖，高熵碳氮化物作為后刀面，制得高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具。

14、優選地，步驟s3中所述放電等離子燒結的升溫速率為50～150℃/min；所述放電等離子燒結的時間為10～20min。

15、優選地，步驟s4中高熵碳化物刀尖所在區域的寬度為1.7～1.9cm。

16、所述的高熵碳化物刀尖-高熵碳氮化物后刀面結構的陶瓷刀具在高速切削灰鑄鐵或球墨鑄鐵中的應用。

17、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

18、1.本發明通過將高熵碳化物與高熵碳氮化物陶瓷結合起來，制備高熵碳化物刀尖-高熵碳氮化物后刀面結構的陶瓷刀具，將高熵碳化物作為刀尖具備了比高熵碳氮化物陶瓷更高的硬度，高熵碳氮化物作為后刀面具備了比高熵碳化物更高的斷裂韌性，提高了刀具的切削壽命。

19、2.本發明的陶瓷刀具的刀尖的維氏硬度為26～29gpa，斷裂韌性為4～6mpa·m1/2，后刀面的維氏硬度為23～25gpa，斷裂韌性為7～9mpa·m1/2。該陶瓷刀具可應用于灰鑄鐵、球墨鑄鐵等高硬度材料的連續切削。

20、3.本發明通過將高熵碳化物與高熵碳氮化物陶瓷結合，由于過渡金屬組分一致，在結合面高熵碳化物與高熵碳氮化物相互擴散形成穩定的結構，進一步提升結合面強度，其中在高熵碳氮化物中添加的金屬，由于達到了熔點形成液相，會促進高熵碳化物也加速致密化過程，使刀具具有更強的切削性能。

技術特征：

1.一種高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具，其特征在于，所述陶瓷刀具包括刀尖高熵碳化物相(ti0.2zr0.2nb0.2ta0.2w0.2)c和后刀面高熵碳氮化物相(ti0.2zr0.2nb0.2ta0.2w0.2)cxn1-x，0.1≤x≤0.9。

2.根據權利要求1所述的高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具，其特征在于，所述陶瓷刀具是將等摩爾比的tic、zrc、nbc、tac和wc進行球磨混合，制得碳化物混合粉體，將tic、zrc、nbc、tac、wc、tin、zrn、nbn、tan、wn與燒結助劑ni粉體球磨混合，制得碳氮化物混合粉體；然后將碳氮化物混合粉體和碳化物混合粉體先后放入石墨模具中，用1～3t的壓力保壓1～3min，在真空環境下，加壓30～50mpa，在1600～1800℃進行放電等離子燒結制得。

3.根據權利要求1或2所述的高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具，其特征在于，所述的陶瓷刀具的致密度為98％以上，所述高熵碳化物相的維氏硬度為26～29gpa，斷裂韌性為4～6mpa·m1/2，所述高熵碳氮化物相的維氏硬度為23～25gpa，斷裂韌性為7～9mpa·m1/2。

4.根據權利要求2所述的高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具，其特征在于，所述燒結助劑ni粉體為碳氮化物混合粉體的5～10vol％。

5.根據權利要求1～4任一項所述的高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，包括以下具體步驟：

6.根據權利要求5所述的高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，步驟s3中所述放電等離子燒結的升溫速率為50～150℃/min；所述放電等離子燒結的時間為10～20min。

7.根據權利要求1～4任一項所述的高熵碳化物-高熵碳氮化物的陶瓷刀具在高速切削灰鑄鐵或球墨鑄鐵中的應用。

技術總結
本發明屬于陶瓷刀具領域，公開了一種高熵碳化物?高熵碳氮化物的陶瓷刀具及其制備方法和應用。該陶瓷刀具包括刀尖高熵碳化物(Ti<subgt;0.2</subgt;Zr<subgt;0.2</subgt;Nb<subgt;0.2</subgt;Ta<subgt;0.2</subgt;W<subgt;0.2</subgt;)C和后刀面高熵碳氮化物(Ti<subgt;0.2</subgt;Zr<subgt;0.2</subgt;Nb<subgt;0.2</subgt;Ta<subgt;0.2</subgt;W<subgt;0.2</subgt;)C<subgt;x</subgt;N<subgt;1?x</subgt;(0.1≤x≤0.9)；是將TiC、ZrC、NbC、TaC和WC的碳化物混合粉體，將TiC、ZrC、NbC、TaC、WC、TiN、ZrN、NbN、TaN、WN與Ni粉體的碳氮化物混合粉體在真空環境下，加壓30～50MPa，1600～1800℃放電等離子燒結制得。該陶瓷刀具的刀尖具有高硬度，后刀面具有高韌性和耐磨性，可應用于高硬度材料的連續切削。

技術研發人員：郭偉明,童思遠,游洋,劉洋,林華泰
受保護的技術使用者：廣東工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28