專利名稱：含納米立方氮化硼的金屬陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及金屬陶瓷及其制備方法，尤其涉及Ti (C，N)基金屬陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
Ti (C，N)基金屬陶瓷是一類以Ti (C，N)粉或TiC與TiN的混合粉為硬質(zhì)相主要原料，以Co、Ni、Mo等金屬為粘接相原料，且通常還加入有WC、TaC, NbC, Mo2C, W、Cr3C2等過渡族金屬碳化物為添加劑經(jīng)過粉碎、混合一模壓一燒結(jié)所形成的復(fù)合材料，主要用于制造切削工具。其中，粘接相金屬的選擇范圍較寬，如CN102046823A的專利文獻(xiàn)中就提出可 在鐵族金屬中任意選取。實(shí)際上，進(jìn)一步結(jié)合該專利文獻(xiàn)，可以將Ti (C，N)基金屬陶瓷中的硬質(zhì)相概括為是由選自元素周期表第4族、第5族和第6族金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶體中的一種或多種化合物構(gòu)成，且構(gòu)成這些化合物的金屬元素主要為Ti。目前，為了提高Ti (C，N)基金屬陶瓷的硬度、斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度，本領(lǐng)域的研究方向主要集中在過渡族金屬碳化物的添加方面。參考文獻(xiàn)一 “納米TiN改性Ti (C，N)基金屬陶瓷抗熱振性能，張曉波等，硬質(zhì)合金，第24卷第3期，2007年9月”中指出，在Ti (C，N)基金屬陶瓷中添加納米TiN可顯著提高金屬陶瓷綜合力學(xué)性能，主要原因在于1、納米TiN在粘接相中的溶解占位而降低了硬質(zhì)相在粘接相中的溶解度，由此使硬質(zhì)相的晶粒得到細(xì)化；2、納米TiN顆粒對錯位起釘扎作用，增大了位錯運(yùn)動的阻礙；3、納米TiN易在粘接相中溶解，其Ti對粘接相金屬起固溶強(qiáng)化作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷及其制備方法，以及采用該金屬陶瓷的切削工具。為此，本發(fā)明的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷材料包括硬質(zhì)相，所述硬質(zhì)相由選自周期表第4族、第5族和第6族金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶體中的一種或多種化合物構(gòu)成，且構(gòu)成這些化合物的金屬元素主要為Ti ；粘接相，所述粘接相主要由鐵族金屬構(gòu)成；以及強(qiáng)化相，所述強(qiáng)化相由納米立方氮化硼顆粒構(gòu)成，每單位重量的金屬陶瓷中所述納米立方氮化硼顆粒的重量占1% 13%。立方氮化硼(CBN)是僅次于金剛石的第二硬材料，具有良好的物理化學(xué)性能，在14000C以上仍具有高的熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，加入納米立方氮化硼顆粒后，燒結(jié)過程中納米立方氮化硼顆粒并不會與金屬陶瓷中的硬質(zhì)相和粘接相發(fā)生反應(yīng)，納米立方氮化硼顆粒以彌散相質(zhì)點(diǎn)的方式存在于金屬陶瓷基體中，在大幅度提高金屬陶瓷硬度的同時(shí)，納米立方氮化硼顆粒對位錯起釘扎作用，增大了位錯運(yùn)動的阻礙，起到了彌散增強(qiáng)的作用，可提高金屬陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。基于這樣的機(jī)理，本發(fā)明的金屬陶瓷在硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性上幾乎均得到提高，達(dá)到優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。試驗(yàn)表明，若每單位重量的金屬陶瓷中所述納米立方氮化硼顆粒的重量所占比例大于13 %時(shí)，材料中脆性相增多將致使材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性降低至較低的程度。在本發(fā)明的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷中，每單位重量的金屬陶瓷中所述納米立方氮化硼顆粒的重量最好占5% 10%。通過試驗(yàn)表明，當(dāng)納米立方氮化硼顆粒的重量占每單位金屬陶瓷材料重量的5% 10%時(shí)，金屬陶瓷材料在硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性方面均明顯優(yōu)于現(xiàn)有金屬陶瓷材料。若納米立方氮化硼含量低于5%時(shí)，則作用不明顯；而高于10%時(shí)，強(qiáng)化相的增多導(dǎo)致材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性明顯降低。通常情況下，所述鐵族金屬選自Co、Ni、Fe中的至少一種。本發(fā)明的切削工具，具有含納米立方氮化硼的金屬陶瓷基體，所述金屬陶瓷基體 包括硬質(zhì)相，所述硬質(zhì)相由選自元素周期表第4族、第5族和第6族金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶體中的一種或多種化合物構(gòu)成，且構(gòu)成這些化合物的金屬元素主要為Ti ；粘接相，所述粘接相主要由鐵族金屬構(gòu)成；以及強(qiáng)化相，所述強(qiáng)化相由納米立方氮化硼顆粒構(gòu)成，每單位重量的金屬陶瓷基體中所述納米立方氮化硼顆粒的重量占I % 13%?；谝殃愂龅睦碛?，在本發(fā)明的切削工具中，每單位重量的金屬陶瓷基體中所述納米立方氮化硼顆粒的重量最好占5% 10%。通常情況下，所述鐵族金屬選自Co、Ni、Fe中的至少一種。本發(fā)明的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷的制備方法，包括的步驟為I)制備粉末混合物原料的組份及配比(重量百分比)
Ti (C, N)粉40% 60%
鐵族金屬粉10% 20 %
納米立方氮化硼顆粒 I % 13%
過渡族金屬碳化物粉 其余按照上述組份及配比，將Ti (C，N)粉、鐵族金屬粉、納米立方氮化硼顆粒以及過渡族金屬碳化物粉進(jìn)行混料，制得粉末混合物；2)成型通過壓力成型將上述粉末混合物制成壓坯；3)燒結(jié)將上述壓坯置于保護(hù)氣氛中進(jìn)行低壓加壓燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)在1350°C 1450°C下保溫I小時(shí) 3小時(shí)，燒結(jié)壓力為4MPa 8Mpa，冷卻后即得到所述含納米立方氮化硼的金屬陶瓷。作為優(yōu)選，納米立方氮化硼顆粒在原料中的配比為5% 10%。
通常情況下,所述鐵族金屬選自Co、Ni、Fe中的至少一種。通常情況下，所述過渡族金屬碳化物選自WC、TaC、NbC、Mo2C、VC中的至少一種。其中，壓力成型可以選擇模壓、等靜壓、擠壓和軋制等方法。需指出的是，本發(fā)明所采用的金屬陶瓷強(qiáng)化機(jī)理與參考文獻(xiàn)一 “納米TiN改性Ti(C，N)基金屬陶瓷抗熱振性能，張曉波等，硬質(zhì)合金，第24卷第3期，2007年9月”中采用的強(qiáng)化機(jī)理有著本質(zhì)的不同本發(fā)明基于立方氮化硼不與金屬陶瓷中的硬質(zhì)相和粘接相發(fā)生反應(yīng)的特性，從而既利用了立方氮化硼極高的硬度(HV72000)來大幅度提高金屬陶瓷材料的硬度及耐磨性，同時(shí)又利用納米立方氮化硼顆粒對位錯起釘扎作用來增大了位錯運(yùn)動的阻礙，起到了彌散增強(qiáng)的作用；而參考文獻(xiàn)中使用的納米TiN粉末在燒結(jié)過程恰好會溶于粘接相，因此其主要是通過納米TiN在粘接相中的溶解使硬質(zhì)相的晶粒得到細(xì)化以及實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化來提高金屬陶瓷的力學(xué)性能。另外，參考文獻(xiàn)中，納米TiN粉末由于在燒結(jié)過程中 會溶于粘接相，降溫時(shí)析出于Ti (C，N)表面，實(shí)際上不會形成分布于金屬陶瓷基體內(nèi)的彌散相，并不能起到本發(fā)明這種彌散強(qiáng)化的效果。況且，TiN顆粒的硬度也不及立方氮化硼。
具體實(shí)施例方式<試驗(yàn)例>制造Ti (C，N)基金屬陶瓷，然后對這些Ti (C，N)基金屬陶瓷材料的硬度、斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度進(jìn)行檢測。試驗(yàn)的基本步驟為I)制備粉末混合物按設(shè)定的組份及配比稱取原料，在滾筒式球磨機(jī)中以球料比(8 10) :1，20 40轉(zhuǎn)/分鐘的速度，進(jìn)行70小時(shí) 90小時(shí)的混合球磨，制備得到粉末混合物。2)成型在粉末混合物中加入石蠟、PEG等成型劑，攪拌均勻，過篩后在模具中模壓制成壓坯，模壓壓力為200MPa 400MPa。3)燒結(jié)將上述壓坯置于保護(hù)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，冷卻后得到Ti (C，N)基金屬陶瓷。[表 I]原料的組份及配比(重量百分比)表I
權(quán)利要求
1.含納米立方氮化硼的金屬陶瓷，包括 硬質(zhì)相，所述硬質(zhì)相由選自元素周期表第4族、第5族和第6族金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶體中的一種或多種化合物構(gòu)成，且構(gòu)成這些化合物的金屬元素主要為Ti ； 粘接相，所述粘接相主要由鐵族金屬構(gòu)成；以及 強(qiáng)化相，所述強(qiáng)化相由納米立方氮化硼顆粒構(gòu)成，每單位重量的金屬陶瓷中所述納米立方氮化硼顆粒的重量占I % 13%。
2.如權(quán)利要求I所述的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷，其特征在于每單位重量的金屬陶瓷中所述納米立方氮化硼顆粒的重量占5% 10%。
3.如權(quán)利要求I或2所述的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷，其特征在于所述鐵族金屬選自Co、Ni、Fe中的至少一種。
4.切削工具，具有含納米立方氮化硼的金屬陶瓷基體，所述金屬陶瓷基體包括 硬質(zhì)相，所述硬質(zhì)相由選自元素周期表第4族、第5族和第6族金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶體中的一種或多種化合物構(gòu)成，且構(gòu)成這些化合物的金屬元素主要為Ti ； 粘接相，所述粘接相主要由鐵族金屬構(gòu)成；以及 強(qiáng)化相，所述強(qiáng)化相由納米立方氮化硼顆粒構(gòu)成，每單位重量的金屬陶瓷中所述納米立方氮化硼顆粒的重量占I % 13%。
5.如權(quán)利要求4所述的切削工具，其特征在于每單位重量的金屬陶瓷基體中所述納米立方氮化硼顆粒的重量占5% 10%。
6.如權(quán)利要求4或5所述的切削工具，其特征在于所述鐵族金屬選自Co、Ni、Fe中的至少一種。
7.含納米立方氮化硼的金屬陶瓷的制備方法，包括的步驟為 O制備粉末混合物 原料的組份及配比(重量百分比)Ti (C, N)粉:40% 60%鐵族金屬粉10% 20%納米立方氮化硼顆粒 I % 13% 過渡族金屬碳化物粉 其余 按照上述組份及配比，將Ti (C，N)粉、鐵族金屬粉、納米立方氮化硼顆粒以及過渡族金屬碳化物粉進(jìn)行混料，制得粉末混合物； 2)成型 通過壓力成型將上述粉末混合物制成壓坯； 3)燒結(jié) 將上述壓坯置于保護(hù)氣氛中進(jìn)行低壓加壓燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)在1350°C 1450°C下保溫I小時(shí) 3小時(shí)，燒結(jié)壓力為4MPa 8Mpa，冷卻后即得到所述含納米立方氮化硼的金屬陶瓷。
8.如權(quán)利要求7所述的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于納米立方氮化硼顆粒在原料中的配比為5% 10%。
9.如權(quán)利要求7或8所述的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷的制備方法，其特征在于所述鐵族金屬選自Co、Ni、Fe中的至少一種。
10.如權(quán)利要求4或5述的金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述過渡族金屬碳化物選自wc、TaC, NbC, Mo2C, VC中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷及其制備方法。本發(fā)明的含納米立方氮化硼的金屬陶瓷材料包括硬質(zhì)相，所述硬質(zhì)相由選自周期表第4族、第5族和第6族金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶體中的一種或多種化合物構(gòu)成，且構(gòu)成這些化合物的金屬元素主要為Ti；粘接相，所述粘接相主要由鐵族金屬構(gòu)成；以及強(qiáng)化相，所述強(qiáng)化相由納米立方氮化硼顆粒構(gòu)成，每單位重量的金屬陶瓷中所述納米立方氮化硼顆粒的重量占1％～13％。納米立方氮化硼顆粒以彌散相質(zhì)點(diǎn)的方式存在于金屬陶瓷基體中，在大幅度提高金屬陶瓷硬度的同時(shí)，納米立方氮化硼顆粒起到了彌散增強(qiáng)的作用，可提高金屬陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。
文檔編號C22C1/05GK102943195SQ20121044825
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者顏焰, 陳輝, 萬武輝 申請人:成都美奢銳新材料有限公司