專利名稱：超細(xì)TiC的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為金屬陶瓷及其制備方法，特別涉及超細(xì)TiC0.7N0.3基金屬陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
Ti(C，N)基金屬陶瓷以Ti(C，N)為主硬質(zhì)相，Ni/Co為粘結(jié)相，并添加WC、Mo2C、TaC、VC、ZrC、Cr3C2、HfC等碳化物來改善性能。與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具材料相比，金屬陶瓷具有優(yōu)良的硬度、耐磨性，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性和抗粘刀能力和低的摩擦系數(shù)。因此金屬陶瓷可用作高錳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、特種鑄鐵(如含鈮、含硼、高鉻及硬鑄鐵等)、高溫合金、軋輥以及熱噴焊涂層材料等難加工材料的切削刀具，并且可以允許較高的切削速度和較大的進(jìn)刀量，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，金屬陶瓷使用儲(chǔ)量豐富的Ti、Ni，避免了傳統(tǒng)硬質(zhì)合金對(duì)昂貴稀缺的戰(zhàn)略資源W，Co的大量消耗，具有極大的資源優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)。基于上述原因，金屬陶瓷刀具在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家得到了很到的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在日本的金屬切削領(lǐng)域中，金屬陶瓷刀片已占可轉(zhuǎn)位刀片總數(shù)的30％，迄今仍在擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，目前日本市場(chǎng)的主要牌號(hào)見表1；而美國(guó)卻只占5％，但在美國(guó)制造業(yè)中已開始大量應(yīng)用金屬陶瓷刀具。隨著金屬陶瓷制作技術(shù)的發(fā)展，金屬陶瓷刀具的應(yīng)用領(lǐng)域及使用量正在迅速擴(kuò)大和增長(zhǎng)。我國(guó)在“八五”期間也研制出多種型號(hào)的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，并批量上市，但性能不穩(wěn)定，強(qiáng)韌性偏低，在高速切削條件下，震動(dòng)很大，因此這些刀片基本上未得到實(shí)際應(yīng)用，表2為中國(guó)市場(chǎng)上正在試用的幾種金屬陶瓷的牌號(hào)和性能。
表1日本市場(chǎng)上常用的金屬陶瓷的牌號(hào)和性能

表2中國(guó)市場(chǎng)上正在使用幾種的金屬陶瓷的牌號(hào)和性能

專利CN1093121，CN1410574分別公開了一種Ti(C，N)基金屬陶瓷及其制備方法。但專利中的金屬陶瓷晶粒度屬于中粗顆粒，不是超細(xì)金屬陶瓷，且使用了目前較難獲得，且價(jià)格昂貴的多元復(fù)雜固溶體(Ti，W，Ta，Nb)。而目前的研究表明，通過細(xì)化晶粒，特別是晶粒度下降到0.5μm(超細(xì))以下時(shí)，可獲得硬度，強(qiáng)度，韌性三高的金屬陶瓷材料。但采用超細(xì)以下原料制備金屬陶瓷非常困難，隨著粒度的細(xì)化，表面能增大，濕磨時(shí)容易團(tuán)聚，不易分散；而且粉末的細(xì)化導(dǎo)致，粉末活性激增，容易吸氧，細(xì)顆粒粉末的氧含量增高會(huì)造成粉末成形時(shí)彈性后效增大，壓坯易分層開裂，難以成型；燒結(jié)時(shí)使制品大量產(chǎn)生孔隙，造成合金性能急驟下降。超細(xì)以下金屬陶瓷制備過程中氧含量控制是一個(gè)難題。
專利CN1346816采用機(jī)械合金化的方法制備納米級(jí)的TiC，來制備Ti(C，N)基金屬陶瓷；專利CN1477222采用部分添加納米TiC和(或)TiN的方法來改性Ti(C，N)基金屬陶瓷；都使金屬陶瓷性能提高，但兩專利均是采取TiC+TiN的方法來引入N，若以固溶體的形式引入N，可抑制氮化物在燒結(jié)時(shí)的分解，減少缺陷形成并提高材料致密度。
因此，盡管近年來Ti(C，N)基金屬陶瓷在國(guó)內(nèi)外得到較大的發(fā)展，但上述投放市場(chǎng)產(chǎn)品及專利技術(shù)存在的主要問題是仍然是強(qiáng)韌性不足，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。因此必須在保證其硬度、耐磨生、紅硬性等優(yōu)良性能的同時(shí)，提高其強(qiáng)度與韌性。只有這樣，才有可能使此種大有前途的材料在國(guó)內(nèi)刀具市場(chǎng)上得到運(yùn)用本專利的目的就是采用超細(xì)原料，并以固溶體的形式引入N，來制備性能優(yōu)異的超細(xì)Ti(C，N)基金屬陶瓷發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種新型的超細(xì)Ti(C，N)基金屬陶瓷，并提供了超細(xì)金屬陶瓷的制備方法。
本發(fā)明的金屬陶瓷，其各組成成份重量百分比為Mo2C8～13wt％；WC10～15wt％；TaC5～8wt％；Ni/Co10.5～14.5wt％(且Co∶Ni＝60∶40)；其余為TiC0.7N0.3。
本發(fā)明如上所述的金屬陶瓷，其特征在于各組成成分的粒度為TiC0.7N0.3＜0.1μm；WC＜0.4μmMo2C＜0.7μm；TaC＜1μm；Ni/Co＜1μm。
本發(fā)明如上所述的金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)將權(quán)利要求1中所述的超細(xì)TiC0.7N0.3等粉末作脫氧處理；(2)將最終能滿足權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷各組成成分重量百分含量的各種碳化物、碳氮化物和金屬粉末混合，濕磨；(3)濕磨后的物料經(jīng)過沉淀干燥，制得混合料，壓制成型；
(4)壓制生坯經(jīng)過真空燒結(jié)和熱等靜壓處理制成金屬陶瓷。
本發(fā)明如上所述的金屬陶瓷的制備方法，其進(jìn)一步特征在于(1)超細(xì)TiC0.7N0.3等粉末的脫氧處理在H2保護(hù)的連續(xù)推進(jìn)式Mo絲煅燒爐，或真空燒結(jié)爐中進(jìn)行；(2)濕磨在滾筒式球磨機(jī)中進(jìn)行，濕磨介質(zhì)為己烷，研磨球?yàn)閃C-8wt％Co硬質(zhì)合金球；(3)濕磨時(shí)加入硬脂酸山梨糧脂作分散劑，濕磨結(jié)束前加入石蠟成型劑；(4)熱等靜壓處理在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。
本發(fā)明如上所述的金屬陶瓷的制備方法，其工藝參數(shù)(1)在H2保護(hù)的連續(xù)推進(jìn)式Mo絲煅燒爐中進(jìn)行脫氧處理時(shí)推舟速度為20舟/分，高溫帶溫度為400℃，H2流速為2m3/h；在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行脫氧處理時(shí)在1500℃下保溫1小時(shí)，真空度為0.5Pa；(2)研磨速度為68r/min研磨時(shí)間為48h，研磨球直徑為6mm，球料比為15∶1，分散劑硬脂酸山梨糧脂的加入量為0.3wt％；(3)石蠟成型劑的加入量為5wt～8wt％，加入時(shí)間為濕磨結(jié)束前2～3小時(shí)；壓制壓力為300～400MPa；(4)脫蠟在真空度高于10～15Pa下進(jìn)行，在400℃～500℃之間保溫2～4h；(5)燒結(jié)真空度高于1～5×10-2Pa下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1400℃～1480℃，保溫時(shí)間為1～1.5h；(6)熱等靜壓處理在1350℃下進(jìn)行，保溫90～120min，氬氣壓力為70～120MPa；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明采用TiC0.7N0.3固溶體原料，避免了以TiC+TiN的形式引入N的缺點(diǎn)，可抑制氮化物在燒結(jié)時(shí)的分解，減少缺陷形成并提高材料致密度。對(duì)TiC0.7N0.3固溶體粉末為超細(xì)粉末，并進(jìn)行了脫氧處理，解決了超細(xì)金屬陶瓷生產(chǎn)過程中的氧含量控制這一難題；濕磨時(shí)加入分散劑硬脂酸山梨糧脂使超細(xì)粉末均勻分散；燒結(jié)后采用熱等靜壓處理，消除空隙。所制備的超細(xì)金屬陶瓷具有典型的芯/環(huán)結(jié)構(gòu)，其晶粒度≤0.5μm，其硬度≥93HRA，抗彎強(qiáng)度≥2200Mpa，可用于半精加工和精加工切削刀具材料，與國(guó)外相當(dāng)?shù)某?xì)金屬陶瓷刀片相比，具有相當(dāng)?shù)那邢餍阅堋?br>

圖1本發(fā)明中實(shí)例1超細(xì)TiC0.7N0.3粉末脫氧處理后的形貌圖2本發(fā)明中實(shí)例1混合粉末濕磨后的形貌圖3本發(fā)明中實(shí)例1超細(xì)TiC0.7N0.3金屬陶瓷燒結(jié)后的形貌圖4本發(fā)明中實(shí)例2超細(xì)TiC0.7N0.3粉末脫氧處理后的形貌圖5本發(fā)明中實(shí)例2混合粉末濕磨后的形貌圖6本發(fā)明中實(shí)例2超細(xì)TiC0.7N0.3金屬陶瓷燒結(jié)后的形貌具體實(shí)施方式
實(shí)例1各組成成分的粒度為TiC0.7N0.30.05～0.13μm；WC0.2～0.4μm；Mo2C0.4 0.7μm；TaC0.8～1μm；Ni/Co＜1μm。其中Mo2C10wt％；WC15wt％；TaC7wt％；NiCo14.5wt％(且Co∶Ni＝60∶40)；其余為TiC0.7N0.3固溶體。超細(xì)TiC0.7N0.3粉末的脫氧處理在H2保護(hù)的連續(xù)推進(jìn)式Mo絲煅燒爐中進(jìn)行。超細(xì)TiC0.7N0.3粉末置于潔凈的石墨舟皿上，送入通H2保護(hù)的連續(xù)推進(jìn)式Mo絲煅燒爐中進(jìn)行脫氧處理，推舟速度為20舟/分，高溫帶溫度400℃，H2流速2m3/小時(shí)。處理后的形貌見圖1，成分分析見表3。然后將符合組成重量百分含量的各種碳化物、碳氮化物和金屬粉末混合，在滾筒式濕磨機(jī)中研磨，濕磨介質(zhì)為己烷，研磨球?yàn)閃C-8wt％Co硬質(zhì)合金球；研磨速度為68r/min，研磨時(shí)間為48h，研磨球直徑為6mm，球料比為15∶1，濕磨時(shí)加入硬脂酸山梨糧脂作分散劑，濕磨結(jié)束前加入石蠟成型劑；分散劑硬脂酸山梨糧脂的加入量為0.3wt％，石蠟成型劑的加入量為5wt～8wt％，加入時(shí)間為濕磨結(jié)束前2～3小時(shí)；研磨后的SEM形貌見圖2。料漿經(jīng)過沉淀，干燥后，進(jìn)行壓制成型，壓成SNUN120408機(jī)夾不重磨刀片，壓制壓力為300～400MPa。在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，脫蠟在真空度高于10～15Pa下進(jìn)行，在400℃～500℃之間保溫2-4h；燒結(jié)真空度高于1～5×10-2Pa下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1450℃，保溫時(shí)間為1h。然后進(jìn)行熱等靜壓處理，熱等靜壓處理在1350℃下進(jìn)行，保溫90min氬氣壓力為70MPa.根據(jù)上述成分和工藝條件制備的金屬陶瓷具有典型的芯/環(huán)結(jié)構(gòu)，其晶粒度≤0.5μm，抗彎強(qiáng)度2250MPa，硬度93.5HRA。其微觀形貌見圖3。
表3超細(xì)TiC0.7N0.3粉末在Mo絲煅燒爐中脫氧處理后粉末的化學(xué)成分

根據(jù)上述成分和工藝條件制備的金屬陶瓷，與普通金屬陶瓷和日本NX2525超細(xì)金屬陶瓷刀具在磨床上用金剛石砂輪刃磨，采用NJ-CK6140數(shù)控車床(數(shù)控系統(tǒng)FANUC OTD)進(jìn)行切削性能實(shí)驗(yàn)，所試驗(yàn)加工材料為調(diào)質(zhì)9CrSi，硬度為HRC50。刀具安裝角度為前角γo＝-8°后角αo＝-6，主偏角χr＝45°，副偏角χr`＝45°，刃傾角λs＝-3°，刀尖圓角半徑R＝0.3mm；刀具切削參數(shù)為進(jìn)給量F＝0.1mm/r；切削速度V＝200m/min；切削深度ap＝1mm；切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在上述切削實(shí)驗(yàn)條件下，超細(xì)金屬陶瓷的耐用度是普通金屬陶瓷的4倍，比日本NX2525略好(刀片后刀面VB＝0.23mm時(shí)，幾種刀片的切削時(shí)間為見表4)；超細(xì)金屬陶瓷NT6B刀具加工的工件表面粗糙度為0.7μm，優(yōu)于日本NX2525的0.9μm和普通金屬陶瓷的1.2μm。
表4刀片后刀面VB＝0.23mm時(shí)幾種刀片的切削時(shí)間t(min)

實(shí)例2各組成成分的粒度為TiC0.7N0.30.05～0.13μm；WC0.2～0.4μm；Mo2C0.4-0.7μm；TaC0.8～1μm；Ni/Co＜1μm。其中Mo2C13wt％；WC15wt％；TaC8wt％；NiCo13wt％(且Co∶Ni＝60∶40)；其余為TiC0.7N0.3固溶體。超細(xì)TiC0.7N0.3等粉末的脫氧處理在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行。超細(xì)TiC0.7N0.3等粉末置于潔凈的石墨舟皿上，送入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行脫氧處理，在1500℃下保溫1小時(shí)，真空度為0.5Pa。處理后的形貌見圖4，成分分析見表5。然后將符合組成重量百分含量的各種碳化物、碳氮化物和金屬粉末混合，在滾筒式濕磨機(jī)中研磨，濕磨介質(zhì)為己烷，研磨球?yàn)閃C-8wt％Co硬質(zhì)合金球；研磨速度為68r/min，研磨時(shí)間為48h，研磨球直徑為6mm，球料比為15∶1，濕磨時(shí)加入硬脂酸山梨糧脂作分散劑，濕磨結(jié)束前加入石蠟成型劑；分散劑硬脂酸山梨糧脂的加入量為0.3wt％，石蠟成型劑的加入量為5wt～8wt％，加入時(shí)間為濕磨結(jié)束前2～3小時(shí)；研磨后的SEM形貌見圖5。料漿經(jīng)過沉淀，干燥后，進(jìn)行壓制成型，壓成SNUN120408機(jī)夾不重磨刀片，壓制壓力為300～400MPa。在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，脫蠟在真空度高于10～15Pa下進(jìn)行，在400℃～500℃之間保溫2-4h；燒結(jié)真空度高于1～5×10-2Pa下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1480℃，保溫時(shí)間為1.5h。然后進(jìn)行熱等靜壓處理，熱等靜壓處理在1350℃下進(jìn)行，保溫120min，氬氣壓力為90MPa，根據(jù)上述成分和工藝條件制備的金屬陶瓷具有典型的芯/環(huán)結(jié)構(gòu)，其晶粒度≤0.5μm，抗彎強(qiáng)度2450MPa，硬度93HRA。其微觀形貌見圖6。
表5超細(xì)TiC0.7N0.3粉末在真空燒結(jié)爐中脫氧處理后粉末的化學(xué)成分

根據(jù)上述成分和工藝條件制備的金屬陶瓷，與普通金屬陶瓷和日本NX2525超細(xì)金屬陶瓷刀具在磨床上用金剛石砂輪刃磨，采用NJ-CK6140數(shù)控車床(數(shù)控系統(tǒng)FANUC OTD)進(jìn)行切削性能實(shí)驗(yàn)，所試驗(yàn)加工材料為調(diào)質(zhì)9CrSi，硬度為HRC50。刀具安裝角度為前角γo＝8°后角αo＝6，主偏角χr＝45°，副偏角χr`＝45°，刃傾角λs＝-3°，刀尖圓角半徑R＝0.3mm；刀具切削參數(shù)為進(jìn)給量F＝0.1mm/r；切削速度V＝200m/min；切削深度ap＝1mm；切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在上述切削實(shí)驗(yàn)條件下，超細(xì)金屬陶瓷的耐用度是普通金屬陶瓷的4倍，比日本NX2525略好(刀片后刀面VB＝0.23mm時(shí)，幾種刀片的切削時(shí)間為見表6)；超細(xì)金屬陶瓷NT6B刀具加工的工件表面粗糙度為0.72μm，優(yōu)于日本NX2525的0.9μm和普通金屬陶瓷的1.2μm。
表6刀片后刀面VB＝0.23mm時(shí)幾種刀片的切削時(shí)間t(min)

權(quán)利要求
1.一種金屬陶瓷，其各組成成份重量百分比為Mo2C8～13wt％；WC10～15wt％；TaC58wt％；Ni/Co10.5～14.5wt％(且Co∶Ni＝60∶40)；其余為TiC0.7N0.3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷，其特征在于各組成成分的粒度為TiC0.7N0.3＜0.1μm；WC＜0.4μm；Mo2C＜0.7μm；TaC＜1μm；Ni/Co＜1μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷的制備方法，依次包括如下步驟(1)將權(quán)利要求1中所述的超細(xì)TiC0.7N0.3等粉末作脫氧處理；(2)將最終能滿足權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷各組成成分重量百分含量的各種碳化物、碳氮化物和金屬粉末混合，濕磨；(3)濕磨后的物料經(jīng)過沉淀干燥，制得混合料，壓制成型；(4)壓制生坯經(jīng)過真空燒結(jié)和熱等靜壓處理制成金屬陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬陶瓷制備方法，其特征在于(1)超細(xì)TiC0.7N0.3等粉末的脫氧處理在H2保護(hù)的連續(xù)推進(jìn)式Mo絲煅燒爐，或真空燒結(jié)爐中進(jìn)行；(2)濕磨在滾筒式球磨機(jī)中進(jìn)行，濕磨介質(zhì)為己烷，研磨球?yàn)閃C-8wt％Co硬質(zhì)合金球；(3)濕磨時(shí)加入硬脂酸山梨糧脂作分散劑，濕磨結(jié)束前加入石蠟成型劑；(4)熱等靜壓處理在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬陶瓷制備方法，其特征在于(1)在H2保護(hù)的連續(xù)推進(jìn)式Mo絲煅燒爐中進(jìn)行脫氧處理時(shí)推舟速度為20舟/分，高溫帶溫度為400℃，H2流速為2m3/h；在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行脫氧處理時(shí)在1500℃下保溫1小時(shí)，真空度為0.5Pa；(2)研磨速度為68r/min，研磨時(shí)間為48h，研磨球直徑為6mm，球料比為15∶1，分散劑硬脂酸山梨糧脂的加入量為0.3wt％；(3)石蠟成型劑的加入量為5wt～8wt％，加入時(shí)間為濕磨結(jié)束前2～3h.壓制壓力為300400MPa；(4)脫蠟在真空度高于10～15Pa下進(jìn)行，在400℃～500℃之間保溫2-4h；(5)燒結(jié)真空度高于1～5×102Pa下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1400℃～1480℃，保溫時(shí)間為1-1.5h；(6)熱等靜壓處理在1350℃下進(jìn)行，保溫90～120min，氬氣壓力為70～120MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超細(xì)金屬陶瓷及制備方法。該金屬陶瓷各組成成份重量百分比為Mo
文檔編號(hào)C22C1/05GK101070577SQ200710049108
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者熊計(jì), 郭智興, 楊梅, 沈保羅 申請(qǐng)人:四川大學(xué)