纳米WC－Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷及其制备方法

摘要

本发明公开了一种纳米WC－Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷及其制备方法，该金属陶瓷以碳氮化钛作为主要基材，其原料粉末以金属钴和/或镍为粘结剂，以碳化物、钽铌固溶体为添加剂，其主要特征在于添加有原料粉末质量6.0～27％的纳米WC－Co复合粉；上述原料粉末经球磨破碎、纳米WC－Co复合粉的分散、均匀混合、压制成形、真空或压力烧结等步骤后可制得本发明的金属陶瓷。本发明的纳米WC－Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷与传统的金属陶瓷相比，由于强化了粘结相和晶界，使其具有更好的耐磨性、更高的强度、断裂韧性和红硬性，用其制备的刀具具有优良的切削性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以碳氮化物为基的金属陶瓷，尤其涉及一种纳米复合粉改性的碳氮化钛(Ti(CN))基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

传统颗粒的金属陶瓷合金由于原料粉末的粒径较大，在加工成合金刀具以后更容易产生裂纹，加上结构的不均匀，加工后的刀具也表现出较差的韧性。近年来纳米技术与纳米材料的研究工作已成为研究热点，很多纳米粉末的制备已进入产业化阶段。由于超细粉体的独特尺寸效应和表界面效应，使得纳米材料具有优秀的物理、力学和机械性能。然而，同样由于纳米粉体的尺寸效应和表界面效应，使得纳米粉体的团聚十分严重，纳米级致密块体材料的生产制备也变得非常困难，例如纳米级硬质合金和金属陶瓷致密块体材料的研究就尚处于起步阶段。后研究发现，在微米或者亚微米粉体材料的制备过程中，通过加入纳米粉体改变其精细组织结构，也能使微米或者亚微米材料的性能得到很大的提高。中国专利02138161.5就公开了一种以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，该刀具通过在原料粉末中添加纳米TiN粉末，提高了TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性等性能指标，与普通的硬质合金刀具相比，大大提高了刀具使用寿命和切削效率。但在高速切削条件下，特别是在加工一些难加工的材料时，由于面临切削温度高、切削力大、加工硬化严重等恶劣工况，现有的Ti(CN)基金属陶瓷合金显得难以对付，刀具的耐用度和寿命不高，因此如何进一步提高金属陶瓷材料的高温强度与硬度，提高其红硬性与耐磨性就变得非常重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种断裂韧性、耐磨性和切削性能更加优良、强度和硬度更高、加工质量更好、使用寿命更长的纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷，还提供一种该金属陶瓷的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷，以Ti(CN)作为主要基材，以钴和/或镍作为粘结相，其特征在于所述金属陶瓷是由下列各质量分数的原料粉末混合后，经粉末冶金工艺制备得到：

纳米WC-Co复合粉        6～27％

Ti(CN)粉和碳化钛粉     35～65％

钽铌固溶体粉末         2～15％

碳化钼粉或钼粉         1～15％

钴和/或镍              6～25％

上述纳米WC-Co复合粉中的钴在该复合粉中的质量分数为5～20％，Ti(CN)粉和碳化钛粉中碳原子与氮原子的摩尔比为3∶7～7∶3。所述的“钴和/或镍”是指可单独选用钴或者镍，也可同时选用钴和镍两种金属粉末，当选用钴和镍两种金属粉末作为原料时，二者可以任意比混合，但总含量的质量分数须满足6～25％的要求。

上述纳米WC-Co复合粉的粒度为100纳米以下。

上述纳米WC-Co复合粉以外的其他原料粉末为微米或亚微米粉末，其纯度大于99％，且平均粒度小于1.5微米。

本发明还提供了一种上述纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷的制备方法，依次包括以下工艺步骤：原料粉末的球磨破碎、纳米WC-Co复合粉的分散、按比例混合各原料粉末、原料粉末的球磨分散、球磨浆料的干燥、精密压制成形(得到毛坯)、预烧以及高温烧结(烧结后得到金属陶瓷)；所述高温烧结可以是真空烧结方式、多气氛(N₂、H₂、Ar中的一种或多种)烧结方式或者高温压力烧结方式；

所述球磨分散过程中，用无水乙醇或甲醇作为研磨介质，用硬质合金作为研磨体，加入原料粉末总重量0.3～1％的分散剂和4～5％的粘结剂，球料比为1∶6～12，球磨转速可以控制在30～40转/分钟，球磨分散时间可以控制在20～90小时；所述球磨浆料的干燥是采用喷雾干燥方式或者采用真空干燥方式，干燥温度为80～95℃，干燥时间90～150分钟；所述预烧的温度为200～500℃，时间为2～4小时；所述真空烧结或多气氛烧结方式的烧结温度为1400～1470℃，保温时间为50～90分钟；所述高温压力烧结方式的烧结温度为1390～1440℃，压强为45～70个标准大气压，保温时间为40～60分钟。

典型的Ti(CN)基金属陶瓷的组织结构由硬质相和粘结相组成，硬质相为芯-环结构，有的环形结构有内环和外环。金属陶瓷性能的高低，关键在于其内部组织结构的设计。通过强化金属陶瓷的粘结相以及改善环形相的设计，可以提高金属陶瓷的物理、力学和切削性能。上述技术方案是以碳氮化钛作为主要基材，以钴粉和/或镍粉作为粘结剂，以碳化物、钽铌固溶体(Ta，Nb)C作为添加剂，再通过添加纳米WC-Co复合粉，经粉末冶金工艺制备得到一种强化粘结相和晶界的纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷。在制备过程中，纳米WC-Co复合粉达到了分子级水平的均匀混合，部分甚至形成了预合金粉体。由于纳米WC-Co复合粉中WC高比表面积，相对Ti(CN)在粘结相中具有更高的溶解速度，抑制了Ti(CN)的溶解，细化了Ti(CN)相晶粒，进而形成比较均匀的环形相，且体积比也显著增大。添加纳米WC-Co复合粉的位错密度比传统尺寸原料粉末颗粒的位错密度要低，且没有夹杂，这样在粘结相中具有更高的W含量和C含量，增加了粘结相的体积比。此外，纳米WC-Co复合粉在烧结冷却过程中稳定了面心立方(FCC)钴，钴中具有更高的FCC/HCP比(面心立方/六方)，粘结相中并有无定型钴相存在，无定型钴中W含量比结晶钴中W含量更高，这进一步强化了粘结相。

由上可见，与现有技术相比，本发明的优点在于通过在原料中添加纳米WC-Co复合粉，强化了Ti(CN)基金属陶瓷的粘结相和晶界，改善了其环形相的分布，提高了亚微米Ti(CN)基金属陶瓷的断裂韧性、强度和硬度，使其显示出更好的耐磨性和优异的抗冲击能力。经纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷可应用于各类切削刀具和耐磨零件，应用后不仅能够提高机械加工效益和加工工件的表面质量，而且能够提高冲击模具和耐磨零件的使用寿命。

具体实施方式

实施例1：

按以下的质量配比准备原料粉末：17％的纳米WC-10％Co复合粉、45％的Ti(CN)粉、8％的(Ta，Nb)C粉末、8％的Mo₂C粉、7％的TiC粉、7％的Co和8％的Ni，其中纳米WC-Co复合粉的粒度为50～100纳米，其余原料粉末的平均粒度小于1.5微米。

将上述原料粉末放入球磨机中，用无水乙醇作为研磨介质，用硬质合金作为研磨体，加入原料粉末总量0.8％的吐温(作分散剂)、3％的聚乙二醇和1％的聚四氢呋喃(作粘结剂)，球料比为1∶10，球磨转速为36转/分钟，球磨混合时间为56小时，球磨分散后的浆料经喷雾干燥(喷嘴出口温度90℃，连续干燥，干燥时间依炉浆多少而定)、精密压制成形，再经3小时的预烧(200～500℃)，并在1450℃的H₂和Ar气氛下保温烧结75分钟，最后制得纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷。

测出上述金属陶瓷的力学性能指标为：抗弯强度为1940MPa，硬度为HRA92.0，断裂韧性K_Ic为9.02MPam^1/2。将上述金属陶瓷制备成铣削刀片(SPEN1203EDR)加工42CrMo，加工参数为切削速度V＝300m/min、切深Ap＝0.5mm、进给f＝0.15mm/z，最后测试得到铣削刀片的切削寿命为75分钟。

对比试验：将同样成分、没有复合粉改性的原料粉末按下述质量配比混合：15.3％WC(粉末平均粒度1.5微米)、8％Mo₂C、8％(Ta，Nb)C、45％Ti(CN)、7％TiC、8.7％Co和8％Ni，再以现有的粉末冶金技术制备成金属陶瓷，其性能指标为：抗弯强度为1670MPa，硬度为HRA91.8，断裂韧性K_Ic为8.77MPam^1/2。将该金属陶瓷制备成铣削刀片(SPEN1203EDR)加工42CrMo，加工参数为切削速度V＝300m/min、切深Ap＝0.5mm、进给f＝0.15mm/z，测试得到铣削刀片的切削寿命仅为35分钟。

实施例2：

按以下的质量配比准备原料粉末：10％的纳米WC-10％Co复合粉、46％的Ti(CN)粉、12％的(Ta，Nb)C粉末、7％的Mo₂C粉、10％的TiC粉、8％的Co和7％的Ni，其中纳米WC-Co复合粉的粒度为50～100纳米，其余原料粉末的平均粒度小于1.5微米。

将上述原料粉末放入球磨机中，用无水乙醇作为研磨介质，用硬质合金作为研磨体，加入原料粉末总量0.8％的吐温(作分散剂)、3％的聚乙二醇和1％的聚四氢呋喃(作粘结剂)，球料比为1∶11，球磨转速为36转/分钟，球磨混合时间为50小时，球磨分散后的浆料经喷雾干燥(喷嘴出口温度90℃)、精密压制成形后，再经3小时的预烧(200～500℃)，最后在1450℃的H₂和Ar气氛下保温烧结60分钟，制得纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷。

测出上述金属陶瓷的力学性能指标为：抗弯强度为1970MPa，硬度为HRA92.2，断裂韧性K_Ic为9.53MPam^1/2。将上述金属陶瓷制备成车刀片(CNMG120408-DF)加工42CrMo，加工参数为切削速度V＝200m/min、切深Ap＝1mm、进给f＝0.2mm/z，最后测试得到车刀片的切削寿命为20分钟。

对比试验：将同样成分、没有复合粉改性的原料粉末按下述质量配比混合：9％WC(粉末平均粒度1.5微米)、7％Mo₂C、12％(Ta，Nb)C、46％Ti(CN)、10％TiC、9％Co和7％Ni，再以现有的粉末冶金技术制备成金属陶瓷，其性能指标为：抗弯强度为1680MPa，硬度为HRA92.0，断裂韧性K_Ic为8.27MPam^1/2。将该金属陶瓷制备成车刀片(CNMG120408-DF)加工42CrMo，加工参数为切削速度V＝200m/min、切深Ap＝1mm、进给f＝0.2mm/z，测试得到车刀片的切削寿命仅为13分钟。

实施例3：

按以下的质量配比准备原料粉末：27％的纳米WC-5％Co复合粉、40％的Ti(CN)粉、7％的(Ta，Nb)C粉末、4％的Mo₂C粉、10％的TiC粉、6％的Co和6％的Ni，其中纳米WC-Co复合粉的粒度为50～100纳米，其余原料粉末的平均粒度小于1.5微米。

将上述原料粉末放入球磨机中，用无水乙醇作为研磨介质，用硬质合金作为研磨体，加入原料粉末总量0.8％的吐温(作分散剂)、3％的聚乙二醇和1％的聚四氢呋喃(作粘结剂)；球料比为1∶10，球磨转速为36转/分钟，球磨混合时间为52小时，球磨浆料经真空干燥(88℃)2小时、精密压制成形后，再经3小时的预烧(200～500℃)，最后在1460℃下真空烧结，保温70分钟，制得纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷。

测出上述金属陶瓷的力学性能指标为：抗弯强度为1730MPa，硬度为HRA93.2，断裂韧性K_Ic为8.67MPam^1/2。

实施例4：

按以下的质量配比准备原料粉末：6％的纳米WC-20％Co复合粉、61％的Ti(CN)粉、2％的(Ta，Nb)C粉末、11％的Mo₂C粉、2％的TiC粉、8％的Co和10％的Ni，其中纳米WC-Co复合粉的粒度为50～100纳米，其余原料粉末的平均粒度小于1.5微米。

将上述原料粉末放入球磨机中，用无水乙醇作为研磨介质，用硬质合金作为研磨体，加入原料粉末总量0.8％的吐温(作分散剂)、3％的聚乙二醇和1％的聚四氢呋喃(作粘结剂)；球料比为1∶12，球磨转速为36转/分钟，球磨混合时间为44小时，球磨浆料经真空干燥(88℃)2小时、精密压制成形后，再经3小时的预烧(200～500℃)，最后在1420℃、70个标准大气压的压强下烧结，保温50分钟，制得纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷。

测出上述金属陶瓷的力学性能指标为：抗弯强度为2210MPa，硬度为HRA91.3，断裂韧性K_Ic为11.09MPam^1/2。