氮化硼纳米管增强碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法

摘要

本发明涉及新材料，尤其是一种氮化硼纳米管增强碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法。粉末质量配比为wt％:Ti(C

说明书

一、技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其是一种氮化硼纳米管增强碳氮化钛基金属陶瓷刀具材 料的制备方法。

二、背景技术

陶瓷刀具以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和切削难加工材料 方面显示出传统刀具无法比拟的优势。其中，碳氮化钛基金属陶瓷是近年来发展较快的一种 金属陶瓷刀具材料，其性能介于陶瓷和硬质合金之间，既保持了较高的硬度和耐磨性及良好 的化学稳定性，又具有较高的抗弯曲强度和断裂韧度，在加工范围上填补了二者之间的空白。 然而在碳氮化钛基体中只添加适量Ni和Mo时其抗弯强度仅为1000～1300MPa；大量增加金 属相虽可以继续提高碳氮化钛金属陶瓷的强韧性，但过高金属含量的金属陶瓷不适合用作高 速切削刀具，因此有必要通过选择其他更合理的增强相以大幅度提高其抗弯强度。

碳纳米管(CNTs)具有强度、韧性高、弹性模量大等优异的力学性能，其作为一维材料对 陶瓷等脆性材料具有较好的增韧补强作用，被认为是最具潜力的陶瓷增强相之一；但碳纳米 管因高温氧化而不能胜任做高速切削用陶瓷刀具材料的增强体。氮化硼纳米管(BNNTs)具有 与碳纳米管相似的结构和性质，如高强度、高导热性等，但氮化硼纳米管具有比碳纳米管更 高的化学稳定性和高温抗氧化能力，因此在陶瓷刀具材料增强方面具有比碳纳米管更大的优 势。

三、发明内容

本发明的目的，在于克服现有碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料强韧性不足的缺陷和解决碳 纳米管因高温氧化难以胜任做高速切削用刀具材料添加相的难题，提供一种氮化硼纳米管增 强碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法。

本发明的基本构思是将氮化硼纳米管作为增强相添加到碳氮化钛基金属陶瓷材料中，通 过真空热压烧结工艺制备出致密的复合刀具材料；通过优化原始粉末组份配比、烧结温度和 保温时间等工艺参数，制备出一种具有较高综合力学性能的氮化硼纳米管增强碳氮化钛基金 属陶瓷刀具材料。

氮化硼纳米管增强碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料的原始粉末质量配比为wt％:

Ti(C_0.5,N_0.5):85％～87.8％Mo:5.4％Ni:6.6％BNNTs:0.2～3.0％；

制备工艺过程为：(1)将按质量配比配制的氮化硼纳米管增强碳氮化钛基金属陶瓷刀具 材料的原始粉末中除BNNTs以外的其它原始粉末，按比例称量后装入聚氨酯球磨筒中，以碳 化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48小时；(2)将原始 粉末质量配比中，按照比例称量的BNNTs粉末在酒精介质中超声并机械搅拌20～30min以分 散纳米管；(3)将经过工艺(2)分散后的BNNTs粉体与经过工艺(1)球磨过的其它复合粉末浆料 混合,在聚氨酯球磨筒中继续球磨混料3～5小时；(4)将球磨后的全部组份的混合料放入真空 干燥箱中进行干燥，干燥温度为100～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装待用； (5)将封装的粉体取出，按照刀具制备需要的用量称取混合粉末，装入高强度石墨模具中， 然后放入真空烧结炉中；(6)在真空气氛下，用26min升至1300℃，并在此温度下施加压力 16MPa、保温10min；(7)保温结束后，以50℃/min的升温速率升至1450～1550℃，在此温 度下施加压力32MPa、保温30～45min的条件下热压烧结成型。

本发明所使用的设备简单且安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产 效率高。复合后的陶瓷刀具材料具有优异的综合力学性能，因BNNTs纳米管处于晶界位置， 起到细化基体晶粒并强化晶界的作用，因此氮化硼纳米管增强的碳氮化钛基金属陶瓷刀具材 料其抗弯强度能达到1785MPa，比不添加BNNTs纳米管的碳氮化钛基金属陶瓷提高了37％ 以上；断裂韧度达到5.86MPa·m^1/2，同比提高8.3％。该发明还可以广泛应用于陶瓷热挤压模 具、陶瓷喷嘴、陶瓷轴承等高温、耐磨结构件的开发制备。

四、附图说明

图1为氮化硼纳米管含量为0.5wt％的金属陶瓷复合材料断口扫描电镜照片SEM；

图2为氮化硼纳米管含量为3.0wt％的金属陶瓷复合材料断口扫描电镜照片SEM。

五、实施例：

按实施例参数附表中所列的组份比例，先将按质量配比配制的氮化硼纳米管增强碳氮化 钛基金属陶瓷刀具材料的原始粉末中，除BNNTs以外的其它原始粉末按比例称量后装入聚氨 酯球磨筒中，以碳化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48 小时；将原始粉末质量配比中按比例称量的BNNTs粉末在酒精介质中超声分散并机械搅拌 20～30min；将分散后的纳米管粉料装入聚氨酯球磨筒中，与其它复合粉末球磨混料3～5小 时；将球磨后的混合料放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100～120℃，干燥后过100 目筛，将过筛后的粉体封装待用；根据制备刀具需要的用量称取干燥后的复合粉体，装入高 强石墨模具中，然后放入真空烧结炉中；在真空气氛下，用26min升至1300℃，并在此温度 下施加压力16MPa、保温10min；保温结束后，按照实施例参数附表的工艺条件热压烧结成 型。

实施例参数附表

本发明成功制备了氮化硼纳米管增强碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料，经组份和工艺优化 后制备出的复合陶瓷刀具材料的抗弯强度可达到1359MPa-1785MPa。