無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti(C,N)基金屬陶瓷及其制備方法
【專利摘要】無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷及其制備方法，屬于Ti(C，N)基金屬陶瓷，解決現(xiàn)有Ti(C，N)基金屬陶瓷所存在的強(qiáng)韌性與無磁性之間的矛盾問題，以使得Ti(C，N)基金屬陶瓷在具有高強(qiáng)韌性的同時(shí)具有無磁性。本發(fā)明的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷，以TiC、TiN、Ni、Mo2C、WC和Cr3C2粉末作為原料，經(jīng)球磨混料、模壓成形、真空脫脂、真空燒結(jié)和高溫等靜壓表面氮化處理制備而成，其耐磨性、紅硬性、抗沖擊性和化學(xué)穩(wěn)定性好，與鋼鐵、碳化硅等材料之間的摩擦系數(shù)低，抗彎強(qiáng)度≥1800MPa，芯部基體硬度為86.0～92.5HRA，表面硬化層顯微維氏硬度為1800～2050kg／mm2，尤其適合制作無磁切削刀具、無磁模具和無磁耐磨零部件，拓寬了Ti(C，N)基金屬陶瓷的應(yīng)用范圍，在工模具和國防軍工等行業(yè)中具有很好的推廣應(yīng)用前景。
【專利說明】無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于Ti (C，N)基金屬陶瓷，具體涉及一種無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航 空航天、國防軍工、通訊、機(jī)械、能源裝備等行業(yè)的快速發(fā)展，對磁性元器件的性能要求不斷提高，使用無磁、耐磨性好的模具模壓成形或刀具切削加工，成形阻力、切削阻力小，可保證磁性元器件電磁特性的一致性與加工質(zhì)量及效率。又如，艦艇等裝備上的機(jī)械密封環(huán)等耐磨零部件若無磁性，則可提高裝備的防雷性能，有利于磁隱身。
[0003]目前使用的無磁材料主要是無磁鋼和無磁硬質(zhì)合金，它們的鐵磁性/順磁性轉(zhuǎn)變溫度在室溫以下。無磁鋼的硬度低，耐磨性差，由其制作的模具使用壽命短，嚴(yán)重影響磁性元器件電磁特性的一致性、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。與無磁鋼相比，無磁硬質(zhì)合金具有更高的硬度和更好的耐磨性，由其制作的工模具和耐磨零部件使用壽命更長，但高溫紅硬性和耐磨性不理想，不適合在高溫工況條件下使用。因此，迫切需要開發(fā)新型無磁硬質(zhì)材料，以滿足制造業(yè)發(fā)展的需要。
[0004]粘結(jié)劑為Ni的Ti (C，N)基金屬陶瓷耐磨性、紅硬性和化學(xué)穩(wěn)定性好，與鋼鐵、碳化硅等材料之間的親和力弱，摩擦系數(shù)低，且主要生產(chǎn)原料Ti資源豐富，顯示了作為硬質(zhì)合金升級替代材料的巨大潛力，但因Ni對Ti(C，N)的潤濕性比Co差，國內(nèi)外廣泛使用對Ti (C，N)潤濕性好的Co取代部分Ni或全部Ni作為粘結(jié)劑，以使Ti (C，N)基金屬陶瓷具有高的強(qiáng)韌性。然而，Ni的鐵磁性/順磁性轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Co，為354°C，通過合金化可使其鐵磁性/順磁性轉(zhuǎn)變溫度降至室溫以下，無磁硬質(zhì)合金采用Ni作粘結(jié)劑便是最好的佐證；Co的鐵磁性/順磁性轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)1120°C，“用Co代Ni”導(dǎo)致Ti (C，N)基金屬陶瓷中粘結(jié)相的鐵磁性/順磁性轉(zhuǎn)變溫度難以降至室溫以下，即Ti (C，N)基金屬陶瓷在室溫難以實(shí)現(xiàn)無磁化；并且，Co的化學(xué)穩(wěn)定性比Ni低，導(dǎo)致Ti (C，N)基金屬陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性下降。因此，采用Ni作粘結(jié)劑是制備無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷的必備條件，但由于采用Ni作粘結(jié)劑時(shí)難以保證Ti (C，N)基金屬陶瓷具有高的強(qiáng)韌性，導(dǎo)致目前國內(nèi)外關(guān)于無磁Ti (C，N)基金屬陶瓷的研究基本上處于空白狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷，同時(shí)提供其制備方法，解決現(xiàn)有Ti (C，N)基金屬陶瓷所存在的強(qiáng)韌性與無磁性之間的矛盾問題，以使得Ti (C，N)基金屬陶瓷在具有高強(qiáng)韌性的同時(shí)具有無磁性。
[0006]本發(fā)明所提供的一種無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷，以TiC、TiN、N1、Mo2C、WC和Cr3C2粉末作為原料，經(jīng)球磨混料、模壓成形、真空脫脂、真空燒結(jié)和高溫等靜壓表面氮化處理制備而成，其特征在于:
[0007]所制備的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)金屬陶瓷中，各化學(xué)成分的重量百分比為:Τ?35 ~49%，Ν?15 ~35%，Mol4 ~20%，WO ~4%，Cr0.4 ~1.2%，C8 ~11.5%，N2 ~
3.2% ；
[0008]所制備的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)金屬陶瓷芯部基體組織由Ti (C，N)陶瓷晶粒和Ni基粘結(jié)相組成，表面硬化層主要由細(xì)小的TiN晶粒組成，抗彎強(qiáng)度≥1800MPa,芯部基體硬度為86.0~92.5HRA，表面硬化層顯微維氏硬度為1800~2050kg / mm2。
[0009]所述的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷，其特征在于:
[0010]所述的原料中至少包括NbC和TaC粉末中的一種，所制備的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷中，Nb和Ta的重量百分比為:NbO~2%，TaO~5%，且Nb和Ta兩者不同時(shí)為O。
[0011]本發(fā)明的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷中，TiC的作用是作為硬質(zhì)陶瓷相，保證該金屬陶瓷具有高的硬度和好的耐磨性；TiN的作用是抑制Ti(C，N)陶瓷晶粒長大，提高該金屬陶瓷的強(qiáng)韌性；Mo2(^P WC的作用，一方面是改善粘結(jié)劑Ni對Ti (C，N)陶瓷晶粒的潤濕性，并控制陶瓷晶粒的環(huán)形相厚度，提高該該金屬陶瓷的強(qiáng)韌性，另一方面，固溶于Ni基粘結(jié)相中，致使Ni基粘結(jié)相的鐵磁性/順磁性轉(zhuǎn)變溫度降至室溫以下，使該金屬陶瓷實(shí)現(xiàn)無磁化；Cr3C2的作用是改善Ti (C，N)陶瓷晶粒環(huán)形相的塑性，使Ti (C，N)陶瓷晶粒與Ni基粘結(jié)相間的變形協(xié)調(diào)能力提高，從而提高該金屬陶瓷的強(qiáng)韌性。
[0012]在本發(fā)明的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷中，添加NbC和TaC的作用是進(jìn)一步提高該金屬陶瓷的高溫剛性、紅硬性和抗熱震性。
[0013]所述的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷的制備方法，包括球磨混料、模壓成形、真空脫脂、真空燒結(jié)和高溫等靜壓表面氮化處理步驟，其特征在于:
[0014](I)球磨混料步驟:根據(jù)化學(xué)成分重量百分比:Ti35~49%，Nil5~35%，Mol4~20%, WO ~4%，Cr0.4 ~1.2%，C8 ~11.5%，N2 ~3.2%，以 TiC、TiN、N1、Mo2C, WC 和Cr3C2粉末作為原料，配制成混合料，球磨24h~48h獲得成分均勻的混合料料衆(zhòng),硬質(zhì)合金磨球與混合料的重量比為7:1,球磨介質(zhì)為無水乙醇,轉(zhuǎn)速為150rpm~250rpm ；
[0015](2)模壓成形步驟:混合料料漿經(jīng)干燥、過篩后，添加重量百分比為I~2%的成形劑聚乙二醇(PEG)，在250MPa~400MPa壓力下模壓成形，獲得壓坯；
[0016](3)真空脫脂步驟:將壓坯在250°C~350°C溫度下進(jìn)行真空脫脂，保溫時(shí)間為4h~10h，得到脫脂壓坯；
[0017](4)真空燒結(jié)步驟:將脫脂壓坯在1400°C~1460°C溫度下進(jìn)行真空燒結(jié)，保溫時(shí)間為0.75h~1.5h，得到燒結(jié)體；
[0018](5)高溫等靜壓表面氮化處理步驟:將燒結(jié)體在高純氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行高溫等靜壓氮化處理，氮?dú)鈮毫?MPa~lOMPa，氮化溫度為1100°C~1250°C，保溫時(shí)間為4h~24h。
[0019]所述的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷的制備方法，其特征在于:
[0020]所述的球磨混料步驟中，所述原料中至少添加NbC和TaC粉末中的一種，所制備的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)金屬陶瓷中，Nb和Ta的重量百分比為:NbO~2%，TaO~5%，且Nb和Ta兩者不同時(shí)為O。
[0021]本發(fā)明的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷，Ni基粘結(jié)相中固溶了適量合金元素Mo，使Ni基粘結(jié)相的鐵磁性/順磁性轉(zhuǎn)變溫度降至室溫以下，從而使該金屬陶瓷實(shí)現(xiàn)了無磁化；并且，經(jīng)高溫等靜壓氮化處理后，在表面形成主要由細(xì)小TiN晶粒組成的硬化層，且在硬化層與基體間形成過渡層，實(shí)現(xiàn)了組織性能的梯度過渡，顯著降低了界面內(nèi)應(yīng)力，提高了硬化層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，從而使該金屬陶瓷具有優(yōu)異的耐磨性和抗沖擊性，由此解決了 Ti (C，N)基金屬陶瓷難以兼有無磁性和優(yōu)異力學(xué)性能的難題。
[0022]本發(fā)明的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷，其耐磨性、紅硬性、抗沖擊性和化學(xué)穩(wěn)定性好，與鋼鐵、碳化硅等材料之間的摩擦系數(shù)低，抗彎強(qiáng)度> 1800MPa，芯部基體硬度為86.0~92.5HRA，表面硬化層顯微維氏硬度為1800~2050kg / mm2，尤其適合制作無磁切削刀具、無磁模具和無磁耐磨零部件，大大拓寬了 Ti (C，N)基金屬陶瓷的應(yīng)用范圍，在工模具和國防軍工等行業(yè)中具有很好的推廣應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0024]第一組實(shí)施例，關(guān)于無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷的制備方法，包括球磨混料、模壓成形、真空脫脂、真空燒結(jié)和高溫等靜壓表面氮化處理步驟:
[0025](I)球磨混料步驟:根據(jù)表1中所示的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷化學(xué)成分的重量百分比，以TiC、TiN、N1、Mo2C、WC和Cr3C2粉末作為原料，配制成混合料，然后根據(jù)表2中所示的球磨混料工藝參數(shù)進(jìn)行球磨混合，獲得成分均勻的混合料料漿；
[0026]表1六種無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷化學(xué)成分的重量百分比
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷，以TiC、TiN、N1、Mo2C、WC和Cr3C2粉末作為原料，經(jīng)球磨混料、模壓成形、真空脫脂、真空燒結(jié)和高溫等靜壓表面氮化處理制備而成，其特征在于: 所制備的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)金屬陶瓷中，各化學(xué)成分的重量百分比為:Ti35~49%, Ν?15 ~35%，Mol4 ~20%，WO ~4%，Cr0.4 ~1.2%, C8 ~11.5%, N2 ~3.2% ; 所制備的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)金屬陶瓷芯部基體組織由Ti (C，N)陶瓷晶粒和Ni基粘結(jié)相組成，表面硬化層主要由細(xì)小的TiN晶粒組成，抗彎強(qiáng)度> 1800MPa，芯部基體硬度為86.0~92.5HRA，表面硬化層顯微維氏硬度為1800~2050kg / mm2。
2.如權(quán)利要求1所述的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷，其特征在于: 所述原料中至少包括NbC和TaC粉末中的一種，所制備的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)基金屬陶瓷中，Nb和Ta的重量百分比為:NbO~2%，TaO~5%，且Nb和Ta兩者不同時(shí)為O。
3.權(quán)利要求1所述的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷的制備方法，包括球磨混料、模壓成形、真空脫脂、真空燒結(jié)和高溫等靜壓表面氮化處理步驟，其特征在于: (1)球磨混料步驟:根據(jù)化學(xué)成分的重量百分比:Ti35~49%，Ni15~35%，Mo 14~20%, WO ~4%，Cr0.4 ~1.2%，C8 ~11.5%，N2 ~3.2%，以 TiC、TiN、N1、Mo2C, WC 和Cr3C2粉末作為原料，配制成混合料，球磨24h~48h獲得成分均勻的混合料料衆(zhòng),硬質(zhì)合金磨球與混合料的重量比為7:1,球磨介質(zhì)為無水乙醇,轉(zhuǎn)速為150rpm~250rpm ； (2)模壓成形步驟:混合 料料漿經(jīng)干燥、過篩后，添加重量百分比為I~2%的成形劑聚乙二醇(PEG)，在250MPa~400MPa壓力下模壓成形，獲得壓坯； (3)真空脫脂步驟:將壓坯在250°C~350°C溫度下進(jìn)行真空脫脂，保溫時(shí)間為4h~10h，得到脫脂壓坯； (4)真空燒結(jié)步驟:將脫脂壓坯在1400°C~1460C溫度下進(jìn)行真空燒結(jié)，保溫時(shí)間為0.75h~1.5h，得到燒結(jié)體; (5)高溫等靜壓表面氮化處理步驟:將燒結(jié)體在高純氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行高溫等靜壓氮化處理，氮?dú)鈮毫?MPa~lOMPa，氮化溫度為1100°C~1250°C，保溫時(shí)間為4h~24h。
4.如權(quán)利要求3所述的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷的制備方法，其特征在于: 所述球磨混料步驟中，所述原料中至少添加NbC和TaC粉末中的一種，所制備的無磁梯度結(jié)構(gòu)Ti (C，N)金屬陶瓷中，Nb和Ta的重量百分比為:NbO~2%，TaO~5%，且Nb和Ta兩者不同時(shí)為O。
【文檔編號】C22C1/05GK103710603SQ201310740238
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】熊惟皓, 楊青青, 張曼, 張國鵬, 陳肖, 黃斌, 姚振華 申請人:華中科技大學(xué)