CN104131192A

CN104131192A - 一种梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷及其等离子氮化制备方法

Info

Publication number: CN104131192A
Application number: CN201410357006.4A
Authority: CN
Inventors: 郑勇
Original assignee: CHANGSHU DINGFENG METAL MATERIALS Co Ltd
Current assignee: NANJING XINRUI NEW MATERIAL TECHNOLOGY LTD.
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2014-11-05

Abstract

本发明公开了一种梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷及其等离子氮化制备方法，该金属陶瓷成分质量份数为：C为6.5～7.5，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为25～32，Mo为13～18，W为6～10，上述金属陶瓷制备方法如下：(1)配制混合料；(2)依次经过混料、加入成型剂、压制成型、真空脱脂、真空烧结制备出致密的金属陶瓷烧结体；(3)对经上述工序所得烧结体进行等离子渗氮处理，在具有高温辅助加热装置的等离子氮化炉中进行，先将工作室抽至10Pa以下的真空，再充入Ar/N2混合气体作，总气压为120-180Pa，两种气体流量比为PAr/PN2＝1/2，工件电压为500-700V，处理温度为1140-1200℃，处理时间为3-5h；该材料具有高的抗弯强度、表面具有高的硬度：σ_b≥1750MPa，表面硬度≥1700HV。

Description

一种梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷及其等离子氮化制备方法

技术领域

本发明涉及一种梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷，本发明还涉及采用等离子氮化制备梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷的方法，属于陶瓷材料及其制备方法技术领域。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数，而且还有一定的韧性和强度。与当前制造加工领域中使用最广泛的硬质合金和涂层硬质合金刀具材料相比，它在以下几个方面有明显的优势：它可以允许有更高的切削速度，有更大的进刀量，更好的耐磨性能，被加工件有较好的表面性能；另外，这种材料不含或少含战略性物质Co和贵重化合物WC，所用原材料绝大部分为常用的、较易获得的元素，制造工艺与硬质合金相似，因而其总成本要便宜许多。在日本、瑞典的刀具行业已得到大量运用。日本市场的主要牌号见表1。近年来美国和欧洲关于Ti(C,N)基金属陶瓷的研究和应用也急剧增多，我国有关部门也投入大量力量并已研制出一些牌号的Ti(C,N)基金属陶瓷，其产品在切削领域可以部分取代YG8、YT15等硬质合金刀具。Ti(C,N)基金属陶瓷已显示了其作为传统的WC-Co硬质合金的升级替代材料的巨大潜力。

但目前反映出的问题仍是强韧性不足，如我国研制的产品性能不稳定，特别是在保持较高硬度的同时，强韧性较差，市场用量极少，因而使此种材料从理论上来说应该具有的优越性没有充分发挥，且限制了其使用范围。

表1日本市场上常用的金属陶瓷的牌号和性能

制备高性能均质金属陶瓷一直是材料工作者研究的重点。主要采用的方法是优化材料的成分和制备工艺；试验新的成型技术和烧结技术；提高制造设备的控制精度。特别是近年来，开发超细金属陶瓷的研究方面取得了令人瞩目的进展。但是与传统的硬质合金一样，金属陶瓷的耐磨性和强韧性总是存在着矛盾：耐磨性越高、强韧性越低，反之亦然。非均匀结构的材料则表现出明显的性能优势。因此，要进一步提高金属陶瓷的性能并扩大其应用范围，研制成分和显微组织结构呈梯度分布，表面富含耐磨的硬质相而内部富含韧性的粘结相的金属陶瓷显得尤为必要。

解决上述矛盾的通常办法是用PVD和CVD的方法在强韧性较佳的金属陶瓷表面涂覆高硬度的涂层。但是，这样所得材料的表面层与基体之间在成分和微观结构等方面都存在着明显的界面，在进行高速切削时，表面硬化层容易剥落，容易崩刃。并且由于不同材料的热膨胀系数不同，涂层工具材料在冷却过程中由于热应力的影响易产生裂纹，裂纹容易从涂层表面产生并向材料内部扩展，最后导致材料失效。鉴于上述情况，有人发明了通过在高温氮气环境中进行表面氮化处理制备功能梯度金属陶瓷的方法，但该方法工艺过程较长，制备效率较低，且表面功能梯度层较薄。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的现状，提供一种表面具有很高的硬度、耐磨性、红硬性，而心部具有较高强度的梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷及其高效制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷，其成分质量份数为：C为6.5～7.5，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为25～32,Mo为13～18，W为6～10。所采用的原料为(Ti,Mo,W)(C,N)、C、NiMo粉末。

本发明采用Ni含量相对较高、低于正常碳量的非正常组织的Ti(C,N)基金属陶瓷为基体，然后采用等离子氮化法制备出表层组织中富含TiN、Ti(C,N)等硬质相，芯部富含Ni，硬质相和金属粘结相呈梯度分布的金属陶瓷。使材料的芯部具有较高的强度，表面具有较高的硬度和耐磨性。实现这一目的Ti(C,N)基金属陶瓷，其特点是，在组成成分中，C、N含量较低，明显低于正常范围的金属陶瓷混合料，金属Ni含量较高。

本发明等离子氮化制备梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷的方法，先配制符合成分要求的混合料，依次经混料、成型、脱脂、真空烧结得到烧结体，将其打磨和清洗后，装入具有高温辅助加热装置的等离子氮化炉中进行渗氮处理。

具体包括如下步骤：

(1)配制符合下述要求的混合料，其成份质量份数为：C为6.5～7.5，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为25～32,Mo为13～18，W为6～10。所有成分均由(Ti,Mo,W)(C,N)、C、NiMo粉末引入；

(2)混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180rpm，时间为24h；

(3)加入成型剂，所加入的成型剂为浓度为7mass％的聚乙烯醇水溶液，加入比例为混合料的3mass％～7mass％；

(4)压制成型，所用压制压力为250MPa；

(5)脱脂，在真空度高于10Pa的真空炉中进行，在200～450℃之间的升温速度为0.3～0.5℃/min；

(6)真空烧结，在真空烧结炉中进行，真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1410～1440℃，保温时间为50～70min；

(7)对经上述工序所得烧结体进行等离子渗氮处理，在具有高温辅助加热装置的等离子氮化炉中进行，先将工作室抽至10Pa以下的真空，再充入Ar/N2混合气体作，总气压为120～180Pa，两种气体流量比为PAr/PN2＝1/2，工件电压为500～700V，在1140～1200℃下氮化处理3～5h。

本发明的梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷，梯度层厚度大于30μm，在10μm的表面硬化层范围内，其表面硬度≥1700HV，材料的抗弯强度σ_b≥1750MPa，不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数等优点，而且其强韧性也很优良，作为刀具不但可以在稳定性好的先进机床上运用，还可以用于国内普通的机床，与相同硬度的硬质合金相比，其可以允许进刀量提高2－3倍，切削速度提高2倍以上，在高速干式切削正火钢时，其耐用度可提高6倍以上；与涂层硬质合金和涂层金属陶瓷相比，其成分和显微组织从材料表面至心部过渡平缓，没有明显的界面，不存在因界面结合强度低造成涂层剥落的问题；表面梯度层的厚度较厚，比目前常用技术所得硬质涂层的厚度大得多；与涂层硬质合金相比，该梯度结构金属陶瓷可以节约昂贵的WC、Co等资源，其制造成本大大降低。

具体实施方式

以下实例所采用的原料均由(Ti,Mo,W)(C,N)、C、NiMo以及盘状WC粉末引入。

表2是4种成分配方的混合料。分别采用不同的工艺参数将其制备成梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷，并分别测定其表面硬度和抗弯强度。

表24种混合料的成分配比

实施例1

按表2分别配制混合料，各混合料的混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180rpm，时间为24h；成型剂7mass％的聚乙烯醇水溶液的加入量为3mass％，压制成型所用的压力为250MPa；脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200－450℃之间的升温速度为0.3℃/min；真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1410℃，保温时间为70min。

等离子渗氮处理在具有高温辅助加热装置的等离子氮化炉中进行，先将工作室抽至10Pa以下的真空，再充入Ar/N₂混合气体，总气压为120Pa，两种气体流量比为P_Ar/P_N2＝1/2，工作电压为500V，处理温度为1140℃，处理时间为5h。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表3。

表3采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例2

按表2分别配制混合料，各混合料的混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180rpm，时间为24h；成型剂7mass％的聚乙烯醇水溶液的加入量为5mass％，压制成型所用的压力为250MPa；脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200－450℃之间的升温速度为0.4℃/min；真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1420℃，保温时间为60min。

等离子渗氮处理在具有高温辅助加热装置的等离子氮化炉中进行，先将工作室抽至10Pa以下的真空，再充入Ar/N₂混合气体，总气压为140Pa，两种气体流量比为P_Ar/P_N2＝1/2，工作电压为600V，处理温度为1160℃，处理时间为5h。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表4。

表4采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例3

按表2分别配制混合料，各混合料的混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180rpm，时间为24h；成型剂7mass％的聚乙烯醇水溶液的加入量为7mass％，压制成型所用的压力为250MPa；脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200－450℃之间的升温速度为0.5℃/min；真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1430℃，保温时间为50min。

等离子渗氮处理在具有高温辅助加热装置的等离子氮化炉中进行，先将工作室抽至10Pa以下的真空，再充入Ar/N₂混合气体作，总气压为160Pa，两种气体流量比为P_Ar/P_N2＝1/2，工作电压：700V，处理温度为1180℃，处理时间为4h。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表5。

表5采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能

实施例4

按表2分别配制混合料，各混合料的混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180rpm，时间为24h；成型剂7mass％的聚乙烯醇水溶液的加入量为7mass％，压制成型所用的压力为250MPa；脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在200－450℃之间的升温速度为0.3℃/min；真空烧结的真空度高于5.0×10^-2Pa，烧结温度为1440℃，保温时间为50min。

等离子渗氮处理在具有高温辅助加热装置的等离子氮化炉中进行，先将工作室抽至10Pa以下的真空，再充入Ar/N₂混合气体作，总气压为180Pa，两种气体流量比为P_Ar/P_N2＝1/2，工作电压：700V，处理温度为1200℃，处理时间为3h。

在上述制备工艺条件下，不同成分配比的金属陶瓷的性能见表6。

表6采用工艺1制备出的不同金属陶瓷的性能

当金属陶瓷基体中Ni含量较低时，经等离子氮化处理后所得梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度相对较高，抗弯强度相对较低，反之亦然。在权利要求书取值范围内，其对材料的性能影响有限。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷，其特征在于其成分质量份数为：C为6.5～7.5，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为25～32,Mo为13～18，W为6～10。

2.根据权利要求1所述的梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷，其特征在于所采用的原料为(Ti,Mo,W)(C,N)、C、NiMo粉末。

3.一种等离子氮化制备梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)配制符合下述要求的混合料，其成分质量份数为：C为6.5～7.5，N为1.5～2.5，Ti为36～45，Ni为25～32,Mo为13～18，W为6～10；上述所有成分均由(Ti,Mo,W)(C,N)、C、NiMo粉末引入；

(4)压制成型，所用压制压力为250MPa；

(7)对经上述工序所得烧结体进行等离子渗氮处理，在具有高温辅助加热装置的等离子氮化炉中进行，先将工作室抽至10Pa以下的真空，再充入Ar/N2混合气体，总气压为120～180Pa，两种气体流量比为PAr/PN2＝1/2，工件电压为500～700V，在1140～1200℃下氮化处理3～5h。