一種TiCN基金屬陶瓷刀具材料及其微波燒結(jié)工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬微波燒結(jié)材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種TiCN基金屬陶瓷刀具材料及其 微波燒結(jié)工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] TiCN基金屬陶瓷是在TiC基金屬陶瓷基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種陶瓷刀具材料，與傳 統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金相比，它具有更高的紅硬性、耐磨性、耐熱性、抗月牙洼磨損能力及高 溫強(qiáng)度，同時，其韌性又比傳統(tǒng)的Al2O3基陶瓷刀具材料好。金屬陶瓷的出現(xiàn)，在克服了硬質(zhì) 合金刀具硬度不足的缺點(diǎn)下，更獲得了傳統(tǒng)陶瓷刀具難以達(dá)到的高韌性，進(jìn)而填補(bǔ)了兩者 間的空白。在切削加工方面，TiCN基金屬陶瓷與金屬間的摩擦系數(shù)更低，在高速切削下加 工出來的工件表面質(zhì)量較一般刀具要好，因此更適合用于精鏜孔、精孔加工和以車代磨等 精加工領(lǐng)域。
[0003]目前，國內(nèi)公開的關(guān)于TiCN基金屬陶瓷的專利文獻(xiàn)多為材料成份的配比，其生 產(chǎn)制備方法多為真空燒結(jié)，氣氛燒結(jié)或熱壓燒結(jié)，如CN 102632261A、CN 102191420A、CN 104264026A、CN 103834842A、CN 103521770A、CN 101302595A 等。這些燒結(jié)方法在燒結(jié)過程 中的能量傳遞主要是通過熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射等形式實(shí)現(xiàn)的，這種能量傳遞的方式極容 易在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱梯度，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力影響刀具材料性能。文獻(xiàn)（Xu et，al. Effect of heating rate on the mechanical properties and microstructure of Ti (C, N)-based cermets. Mater. Sci. Eng.，A 628(2015)281 - 287)介紹了一種利用熱壓燒結(jié)制備 TiCN 基 金屬陶瓷的方案，在3°C /min的升溫速度下制得了一種綜合性能較高的TiCN基陶瓷刀具， 其硬度和斷裂韌性分別為12. 02±0. 25GPa和10. 73±0. 40MPa ·πι1/2。這種熱壓燒結(jié)制得的 金屬陶瓷刀具雖然具有較高的韌性，但硬度仍顯不足，同時，升溫時間較慢導(dǎo)致其燒結(jié)時間 過長，也容易使材料晶粒長大，降低材料性能。
[0004] 與傳統(tǒng)燒結(jié)方式相比，微波燒結(jié)加熱速度極快，可有效抑制晶粒長大，改善材料微 觀組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的效果較為明顯。文獻(xiàn)（嚴(yán)迪科等.超細(xì)TiCN基金屬陶瓷的制備 及其微波燒結(jié)工藝研宄[J].熱加工工藝，2010, 39(20) :73-75)介紹了一種利用微波燒結(jié) 技術(shù)制備TiCN基金屬陶瓷的方案，在1500°C下保溫30min的燒結(jié)條件下制得了晶粒細(xì)小、 微觀組織結(jié)構(gòu)均勻的TiCN基金屬陶瓷材料，材料的最高硬度約為89. 2HRA，但其硬度對于 加工高硬材料而言同樣顯得不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種TiCN基金屬陶瓷刀具材料及其微波燒結(jié)工藝。
[0006] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的技術(shù)方案如下：一種TiCN基金屬陶瓷刀具材料，該材料的組成按質(zhì) 量百分比為：TiCN 55% -75%、Co 和 Ni 6% -24%、WC 8% -15%、Mo2C 或 Mo 4% -15%。
[0007] -種微波燒結(jié)上述TiCN基金屬陶瓷刀具材料的方法，包括以下步驟：
[0008] (1)按比例稱取Mo2C或Mo和TiCN、Co、Ni、WC，并進(jìn)行球磨混合；
[0009] (2)將步驟（1)配制的混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合24-48h ;
[0010] (3)在球磨結(jié)束前2小時向混合粉料中加入聚乙烯醇水溶液造粒；
[0011] (4)將球磨后的混合料進(jìn)行干燥，然后研磨；
[0012] (5)將研磨好的粉料壓制成型，成型壓力為250MPa_320MPa，保壓時間為 lmin_3min ;
[0013] (6)在30-60kPa氮?dú)鈮毫Ψ諊?，采用微波燒結(jié)工藝，以80-120°C/min的升 溫速率將溫度升至650°C _800°C并保溫0_20min，然后以30-60°C /min的升溫速率升到 1450°C -1550°C，并保溫0min-20min，隨后隨爐冷卻。
[0014] 步驟⑵中，混合粉末的粒徑均< 2 μπι ;所述磨球?yàn)檠趸X磨球；混料過程中球料 質(zhì)量比為7:1-9:1。
[0015] 步驟⑶中，所述聚乙烯醇水溶液質(zhì)量濃度為5 %。
[0016] 步驟（6)中，所用氮?dú)獾募兌葹?9. 99%。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] (1)本發(fā)明采用2. 45GHz頻率微波加熱TiCN基金屬陶瓷刀具材料，實(shí)現(xiàn)了對刀具 材料的快速燒結(jié)，極大地提高了生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本；同時，使用氮?dú)獗Ｗo(hù)微波燒結(jié)方 案，抑制了燒結(jié)過程中TiCN的分解；
[0019] (2)本發(fā)明制得的TiCN基金屬陶瓷刀具材料在保持較高硬度的基礎(chǔ)上，材料的強(qiáng) 度和斷裂韌度獲得了極大的改善；
[0020] (3)本發(fā)明提出的一種TiCN基金屬陶瓷刀具材料及其微波燒結(jié)方法易于規(guī)模生 產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 實(shí)施例1
[0022] 按質(zhì)量百分比TiCN 69%、Co和Ni 12%、WC 15%、Mo 4%進(jìn)行配料，將配制的 混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合48h并在球磨結(jié)束2小時前加入濃度為5wt%聚乙 烯醇水溶液造粒，球料質(zhì)量比為8 :1 ;球磨后烘干研磨，將研磨好的粉料干壓成型，壓力為 250MPa，保壓時間為3min ;將成型試樣置于微波燒結(jié)爐中，開啟真空泵，將爐體內(nèi)氣壓抽至 真空狀態(tài)，然后充入30kPa的氮?dú)?。開啟微波電源進(jìn)行加熱，用80°C /min的升溫速度將試 樣加熱至650°C并保溫lOmin，然后以30°C /min的升溫速度，加熱至1550°C，在此溫度下保 溫lOmin，然后隨爐冷卻至室溫。經(jīng)測試得，材料的維氏硬度為15. 65GPa(HV20)，斷裂韌度 為 7. 63MPa · m1/2。
[0023] 實(shí)施例2
[0024] 按質(zhì)量百分比TiCN 62%、Co和Ni 15%、WC 15%、Mo2C 8%進(jìn)行配料，將配制的 混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合40h并在球磨結(jié)束2小時前加入濃度為5wt%聚乙 烯醇水溶液造粒，球料質(zhì)量比為8 :1 ;球磨后烘干研磨，將研磨好的粉料干壓成型，壓力為 300MPa，保壓時間為2min ;將成型試樣置于微波燒結(jié)爐中，開啟真空泵，將爐體內(nèi)氣壓抽至 真空狀態(tài)，然后充入30kPa的氮?dú)?。開啟微波電源進(jìn)行加熱，用80°C /min的升溫速度將試 樣加熱至650°C并保溫10min，然后以30°C /min的升溫速度，加熱至1550°C，在此溫度下保 溫10min，然后隨爐冷卻至室溫。經(jīng)測試得，材料的維氏硬度為15. 53GPa(HV20)，斷裂韌度 為 8. 04MPa · m1/2。
[0025] 實(shí)施例3
[0026] 按質(zhì)量百分比TiCN 62%、Co和Ni 15%、WC 15%、Mo 8%進(jìn)行配料，將配制的 混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合36h并在球磨結(jié)束2小時前加入濃度為5wt%聚乙 烯醇水溶液造粒，球料質(zhì)量比為9 :1 ;球磨后烘干研磨，將研磨好的粉料干壓成型，壓力為 300MPa，保壓時間為2min ;將成型試樣置于微波燒結(jié)爐中，開啟真空泵，將爐體內(nèi)氣壓抽至 真空狀態(tài)，然后充入30kPa的氮?dú)?。開啟微波電源進(jìn)行加熱，用100°C/min的升溫速度將試 樣加熱至800°C并保溫lOmin，然后以30°C /min的升溫速度，加熱至1550°C，在此溫度下保 溫Omin，然后隨爐冷卻至室溫。經(jīng)測試得，材料的維氏硬度為15. 06GPa (HV20)，斷裂韌度為 8. 31MPa · m1/2〇
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