CN107099719A - 一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷及制备方法，由硬质相Ti(C,N)固溶体、粘结相Ni、纤维素纳米晶组成的有机无机杂化体系；硬质相Ti(C,N)固溶体、粘结相Ni组合成复合碳氮化钛基金属陶瓷，所述复合碳氮化钛基金属陶瓷的基体中均匀分散着纤维素纳米晶；制备方法为：将TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉投入尼龙球磨罐中，配置纤维素纳米晶‑乙醇悬浮液作为球磨介质，随后在行星式球磨机上进行球磨，球磨时间为36～54h；球磨后将粉末进行烘干；随后掺入聚乙二醇作为成形剂进行模压成形；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，保温时间8～12h，对脱脂后的压坯进行真空烧结，烧结温度为1410～1455℃，保温时间为45～60min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。

Description

一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷及制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料和粉末冶金技术领域，涉及一种高强韧性金属陶瓷的制备方法，具体涉及一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷及制备方法。
背景技术
Ti(C,N)基金属陶瓷是一种以Ti(C,N)为主要硬质相、Ni为粘结相，采用粉末冶金工艺制备的陶瓷基复合材料。与WC-Co硬质合金相比，金属陶瓷具有更佳的红硬性、耐磨性和抗氧化性，并且它与金属间摩擦系数较低，是制作高速高效切削刀具及热成型模具的理想材料。此外，金属陶瓷主要成分的储量更为丰富，其制作成本仅为硬质合金的35～55％，因此备受材料研究人员的关注。然而，与硬质合金高韧性(断裂韧性约9～16MPa·m1/2)相比，Ti(C,N)基金属陶瓷的韧性仍较低(断裂韧性约为6～9MPa·m1/2)，在震动较大的服役环境下易发生脆断而失效，强韧性的不足使其应用领域受到了极大的限制，这也成为制约该材料代替WC-Co硬质合金的最主要因素。
传统的Ti(C,N)基金属陶瓷一般通过添加Mo2C(或Mo)、WC等来提高金属陶瓷的综合力学性能。这些添加剂的加入使得金属陶瓷的显微组织呈现出典型的芯-环结构，虽然环形相改善了陶瓷晶粒与金属粘结相之间的润湿性，但是在芯环结构中存在的大量相界面，以及成分及物性参数上的差异，使得材料在受外载荷作用时，界面上容易萌生裂纹并发生增殖与扩展。这是Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧性低于硬质合金的主要原因之一。
向陶瓷基体中添加晶须或纤维，利用填料较高的强度和弹性模量以及非几何弹性体形貌等特点，从而提高陶瓷材料的强韧性，已被陶瓷基复合材料研究者广泛报道。如有研究在球磨过程中加入SiC晶须，随后通过模压、真空烧结等工艺后获得Ti(C,N)基金属陶瓷材料，强度达到1900MPa，断裂韧性达到9.5MPa·m1/2，虽然从一定程度上提高了材料的强韧性，但相较于晶须在陶瓷材料中的应用效果，其提升幅度仍显不足。微观结构观测表明SiC晶须并未能在金属陶瓷基体中有效的均匀分布，这主要是由于SiC晶须是直接加入到混合粉末中进行球磨分散，由于材料体系较为复杂，球磨过程十分容易造成晶须的偏聚与破坏，因此使得晶须无法实现有效作用。另一方面，无机填料的使用必然会对环境和人体健康带来影响。因此，采用一种环境友好的高强填料，保证其在陶瓷基体中均一分布的条件下，可以稳定提高复合陶瓷的力学性能，是研发新型高强碳氮化钛基金属陶瓷的新思路。
从天然纤维素资源中提取的纤维素纳米晶，是一种高度结晶的刚性棒状生物质纳米粒子，被认为是自然界各种生物力学性能构建的基础元素。和众多无机纳米粒子相比，纤维素纳米晶具有其独特的优势，如已被证明的低毒性、高结晶性和棒状形貌、高比表面积和刚性模量、可生物降解、可生物相容等。尤其值得指出的是，通过除去纤维素中无定型区域得到的高结晶纤维素纳米晶，其弹性模量达到100-150GPa，比模量和芳纶纤维(Kevlar)相当，甚至比玻璃纤维(广泛用作复合材料的增强填料)和钢材高3-4倍。纤维素纳米晶以其高力学模量和棒状特性，被广泛应用于各种复合体系的增强填料。
发明内容
本发明针对碳氮化钛基金属陶瓷中晶须分布特性上的不足，以及传统无机填料增强效应的限制，提供一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷及制备方法，本发明的制备方法工艺简单，在碳氮化钛基金属陶瓷中引入有机纳米粒子---纤维素纳米晶，在烧结处理后实现纳米级碳纤维在陶瓷基体中的均一分散，从而较大程度地提高材料的强韧性。
一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷，由硬质相Ti(C,N)固溶体、粘结相Ni、纤维素纳米晶组成的有机无机杂化体系；硬质相Ti(C,N)固溶体、粘结相Ni组合成复合碳氮化钛基金属陶瓷，其特征在于：所述复合碳氮化钛基金属陶瓷的基体中均匀分散着纤维素纳米晶。
一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液：将纤维素纳米晶分散于无水乙醇中，获得纳米粒子均匀分布的悬浮液，纤维素纳米晶添加量为整个体系混合粉末质量的1.00％～8.00％；
(2)球磨：将TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉和石墨粉投入球磨罐中，其中各组分的质量百分比：TiC 28.00％～46.00％，TiN 8.00％～15.00％，Ni 15.00％～30.00％，WC12.00％～16.00％，Mo6.00％-12.00％，石墨1.00％～2.00％，总量为100％；随后向球磨罐中加入纤维素纳米晶-乙醇悬浮液，放置到行星式球磨机上进行球磨；球磨工艺中采用的球料比为5:1～10:1，转速180～250rpm，球磨时间为36～54h；
(3)烘干；将制备得到粉末浆料进行真空烘干，温度为60～90℃；
(4)成形；将烘干后的粉末掺入占粉末重量2～3％聚乙二醇(PEG)作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；
(5)将压坯在真空炉中进行真空脱脂，真空度高于5Pa，脱脂温度250～450℃，保温时间8～12h；
(6)对脱脂后的压坯在高于1×10-1Pa真空度下进行烧结，烧结温度为1410～1455℃，保温时间为45～60min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。
球磨过程中所采用的球磨介质为纤维素纳米晶-乙醇悬浮液，所述的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液中纤维素纳米晶的质量分数为2～3％。
其中纳米纤维具有较好的分散性。
烧结过程中，所添加的纤维素纳米晶在高温条件下会转化为纳米级碳纤维并均匀分布于复合碳氮化钛基金属陶瓷的基体之中。
本发明将纤维素纳米晶与无水乙醇混合成均匀的悬浮液，并将其作为球磨介质加入球磨体系中，使得纳米晶须在球磨过程中可以保持较好的分散性和完整性，从而在成形坯体中仍以较完整的形态均匀分布。在高温条件下，均匀分布纤维素纳米晶可以原位转变为高强度和模量的非几何弹性体，有效分担并承载界面应力，从而提高材料的强度和韧性。
本发明所制备的强韧化碳氮化钛基金属陶瓷硬度90.1～92.4HRA，抗弯强度≥1800MPa，断裂韧性KIC≥13.5MPa·m1/2，具有优异的抗冲击性、耐磨性、高温红硬性、化学稳定性和抗粘附性，适合用作高速高效切削刀具(尤其适合高速干式切削不锈钢、铁基高温合金、高强度结构钢、灰铸铁等难加工材料)、热挤压模具和耐热耐蚀耐磨零部件。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1：将TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉按质量分数36％TiC–12％TiN–25％Ni–16％WC–10％Mo–1％C投入尼龙球磨罐中，所用磨球为硬质合金球；配置2％质量分数的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，其中纤维素纳米晶为混合粉末质量的1％；随后在行星式球磨机上进行球磨，其中球料比为5:1，转速为200rpm，球磨时间为48h；球磨后将粉末进行烘干，烘干温度为79℃；随后掺入占粉末重量2wt％聚乙二醇作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，真空度为4Pa，脱脂温度300℃，保温时间8h，升温速度0.3℃/min；对脱脂后的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-2Pa，烧结温度为1420℃，保温时间60min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷，该金属陶瓷的性能详情见表1。
实施例2：TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉按质量分数36％TiC–12％TiN–25％Ni–16％WC–10％Mo–1％C投入尼龙球磨罐中，所用磨球为硬质合金球；配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，配置2.3％质量分数的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，其中纤维素纳米晶为混合粉末质量的2％；随后在行星式球磨机上进行球磨，其中球料比为7:1，转速为250rpm，球磨时间为54h；球磨后将粉末进行烘干，烘干温度为90℃；随后掺入占粉末重量3wt％聚乙二醇作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，真空度为4.5Pa，脱脂温度450℃，保温时间12h，升温速度0.3℃/min；对脱脂后的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-2Pa，烧结温度为1430℃，保温时间45min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。该金属陶瓷的性能详情见表1。
实施例3：TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉按质量分数36％TiC–12％TiN–25％Ni–16％WC–10％Mo–1％C投入尼龙球磨罐中，所用磨球为硬质合金球；配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，配置2.5％质量分数的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，其中纤维素纳米晶为混合粉末质量的4％；随后在行星式球磨机上进行球磨，其中球料比为7:1，转速为180rpm，球磨时间为36h；球磨后将粉末进行烘干，烘干温度为65℃；随后掺入占粉末重量2wt％聚乙二醇作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，真空度为3.5Pa，脱脂温度250℃，保温时间8h，升温速度0.3℃/min；对脱脂后的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-2Pa，烧结温度为1410℃，保温时间60min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。该金属陶瓷的性能详情见表1。
实施例4：TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉按质量分数36％TiC–12％TiN–25％Ni–16％WC–10％Mo–1％C投入尼龙球磨罐中，所用磨球为硬质合金球；配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，配置2.7％质量分数的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，其中纤维素纳米晶为混合粉末质量的6％；随后在行星式球磨机上进行球磨，其中球料比为7:1，转速为200rpm，球磨时间为48h；球磨后将粉末进行烘干，烘干温度为60℃；随后掺入占粉末重量3wt％聚乙二醇作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，真空度为4.5Pa，脱脂温度400℃，保温时间10h，升温速度0.3℃/min；对脱脂后的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-2Pa，烧结温度为1420℃，保温时间55min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。该金属陶瓷的性能详情见表1。
实施例5：TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉按质量分数36％TiC–12％TiN–25％Ni–16％WC–10％Mo–1％C投入尼龙球磨罐中，所用磨球为硬质合金球；配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，配置3％质量分数的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，其中纤维素纳米晶为混合粉末质量的8％；随后在行星式球磨机上进行球磨，其中球料比为10:1，转速为210rpm，球磨时间为48h；球磨后将粉末进行烘干，烘干温度为72℃；随后掺入占粉末重量2wt％聚乙二醇作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，真空度为4.5Pa，脱脂温度350℃，保温时间8h，升温速度0.3℃/min；对脱脂后的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-2Pa，烧结温度为1420℃，保温时间60min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。该金属陶瓷的性能详情见表1。
实施例6：TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉按质量分数28％TiC–15％TiN–30％Ni–13％WC–12％Mo–2％C投入尼龙球磨罐中，所用磨球为硬质合金球；配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，配置2.5％质量分数的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，其中纤维素纳米晶为混合粉末质量的4％；随后在行星式球磨机上进行球磨，其中球料比为7:1，转速为180rpm，球磨时间为36h；球磨后将粉末进行烘干，烘干温度为60℃；随后掺入占粉末重量2wt％聚乙二醇作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，真空度为3.5Pa，脱脂温度250℃，保温时间8h，升温速度0.3℃/min；对脱脂后的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-2Pa，烧结温度为1410℃，保温时间50min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。该金属陶瓷的性能详情见表1。
实施例7：TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉按质量分数43％TiC–8％TiN–30％Ni–12％WC–6％Mo–1％C投入尼龙球磨罐中，所用磨球为硬质合金球；配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，配置3％质量分数的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，其中纤维素纳米晶为混合粉末质量的6％；随后在行星式球磨机上进行球磨，其中球料比为7:1，转速为200rpm，球磨时间为48h；球磨后将粉末进行烘干，烘干温度为60℃；随后掺入占粉末重量3wt％聚乙二醇作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，真空度为4.5Pa，脱脂温度400℃，保温时间10h，升温速度0.3℃/min；对脱脂后的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-2Pa，烧结温度为1455℃，保温时间55min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。该金属陶瓷的性能详情见表1。
实施例8：TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉按质量分数40％TiC–15％TiN–15％Ni–16％WC–12％Mo–2％C投入尼龙球磨罐中，所用磨球为硬质合金球；配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，配置2％质量分数的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液作为球磨介质，其中纤维素纳米晶为混合粉末质量的8％；随后在行星式球磨机上进行球磨，其中球料比为10:1，转速为210rpm，球磨时间为48h；球磨后将粉末进行烘干，烘干温度为72℃；随后掺入占粉末重量2wt％聚乙二醇作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，真空度为4.5Pa，脱脂温度350℃，保温时间8h，升温速度0.3℃/min；对脱脂后的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-2Pa，烧结温度为1420℃，保温时间60min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。该金属陶瓷的性能详情见表1。
表1本发明制备的无钼碳化钛基固溶体金属陶瓷的力学性能

Claims (4)

1.一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷，由硬质相Ti(C,N)固溶体、粘结相Ni、纤维素纳米晶组成的有机无机杂化体系；硬质相Ti(C,N)固溶体、粘结相Ni组合成复合碳氮化钛基金属陶瓷，其特征在于：所述复合碳氮化钛基金属陶瓷的基体中均匀分散着纤维素纳米晶。
2.一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)配置纤维素纳米晶-乙醇悬浮液：将纤维素纳米晶分散于无水乙醇中，获得纳米粒子均匀分布的悬浮液，纤维素纳米晶添加量为整个体系混合粉末质量的1.00％～8.00％；
(2)球磨：将TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉和石墨粉投入球磨罐中，其中各组分的质量百分比：TiC 28.00％～46.00％，TiN 8.00％～15.00％，Ni 15.00％～30.00％，WC12.00％～16.00％，Mo6.00％-12.00％，石墨1.00％～2.00％，总量为100％；随后向球磨罐中加入纤维素纳米晶-乙醇悬浮液，放置到行星式球磨机上进行球磨；球磨工艺中采用的球料比为5:1～10:1，转速180～250rpm，球磨时间为36～54h；
(3)烘干；将制备得到粉末浆料进行真空烘干，温度为60～90℃；
(4)成形；将烘干后的粉末掺入占粉末重量2～3％聚乙二醇(PEG)作为成形剂，在300MPa压力下进行模压成形，保压时间60s；
(5)将压坯在真空炉中进行真空脱脂，真空度高于5Pa，脱脂温度250～450℃，保温时间8～12h；
(6)对脱脂后的压坯在高于1×10-1Pa真空度下进行烧结，烧结温度为1410～1455℃，保温时间为45～60min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。
3.根据权利要求2所述的强韧化碳氮化钛基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的纤维素纳米晶-乙醇悬浮液中纤维素纳米晶质量分数为2～3％。
4.根据权利要求2所述的强韧化碳氮化钛基金属陶瓷的制备方法，其特征在于：烧结过程中，所添加的纤维素纳米晶在高温条件下会转化为纳米级碳纤维并均匀分布于复合碳氮化钛基金属陶瓷的基体之中。
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