专利名称：：一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法
技术领域：
：本发明属于金属陶瓷材料，具体涉及一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法。
背景技术：
：Ti(C，N)基金属陶瓷是20世纪70年代出现的以难熔金属间化合物TiC和TiN作硬质相、铁族金属Ni或者Ni加Co作粘结相的一种新型颗粒增强型复合材料，与WC-Co硬质合金相比，其高温红硬性、耐磨性、热稳定性、抗粘附性和抗熔焊性好，切削温度高，且具有自润滑性能，主要原料储量丰富，密度低，因此，它是制作高速高效切削刀具、热挤压模具、各类发动机高温部件、石化工业中各种密封环和阀门等的理想工程材料。为此，世界工业发达国家尤其是物质资源匮乏的日本，高度重视金属陶瓷基础研究及其产品研发，其中日本在这一研发领域处于世界领先水平。据日本超硬工具协会统计，20世纪卯年代初Ti(C,N)基金属陶瓷刀具占日本硬质材料刀具总量的30%以上，使用范围已从最初的车刀、面铣刀扩展至钻头、齿轮滚铣刀及其它工具。与工业发达国家相比，我国金属陶瓷的研究起步较晚。"八，五"期间，一些单位研制了多种牌号Ti(C,N)基金属陶瓷刀具，但因其性能不稳定，特别是抗震性较差，并未获得实际推广应用。然而，Ti(C，N)基金属陶瓷仍属于脆性材料，往往沿硬质相与粘结相的界面脱开或断裂，因此，如何提高其强韧性是一个世界性的技术难题。近年来，研究工作者为了提高结构陶瓷复合材料的强韧性，采用了相变增韧、纳米颗粒强化、晶须增韧等方法，公开号CN101092304A发明专利"SiC晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片及其制备方法"采用的是无表面涂覆的SiC晶须，采用的是Ti(CN)固溶体作为硬质相原料，同时加入Co。但增韧效果不是很明显。
发明内容本发明提供一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法，采用镀镍的SiC晶须作为增韧材料，目的是提高SiC晶须与金属陶瓷基体的润湿性，以提高金属陶瓷刀具的抗弯强度和断裂韧性。本发明的一种晶须增韧金属陶瓷刀具，将TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr3C2和石墨粉末作为基体材料混合球磨，再加入镀镍SiC晶须经球磨混料、模压成型、脱脂和烧结制成，最终生成相中硬质相为Ti(C，N)、粘结相为Ni、增韧相为SiC;基体材料中各元素重量百分比为38《Ti《49，7.5《C《12，2《N《3，15《Ni《25，5《W《14，ll《Mo《15，0.8《Cr《1.2;镀镍SiC晶须与基体材料的重量百分比为2:9810:90。所述的一种晶须增韧金属陶瓷刀具，其特征在于其基体材料成分中添加NbC和TaC，其中元素Nb、Ta占添加后基体材料各元素总重量百分比为0.2《Nb《2，l《Ta《10。本发明一种晶须增韧金属陶瓷刀具的制备方法，包括下述步骤(1)SiC晶须表面镀镍步骤在SiC晶须表面化学镀镍，其中SiC晶须装载量为l3g/L，过程如下(1.1)纯化将SiC晶须在体积比为1:11:3的HN03和H20混合溶液中搅拌，并用超声波分散，加热煮沸70min100min，清洗后再在体积比为1:15:3的HC1和H20混合溶液中搅拌，并用超声波分散，加热煮沸50min70min，再用去离子水冲洗过滤后得到纯化的SiC晶须；(1.2)敏化将纯化的SiC晶须在按每升溶液中质量比为10克:40克30克:40克的SnCl2*2H20和HC1混合溶液中进行搅拌，并用超声波分散3050min，再用去离子水洗涤后得到敏化的SiC晶须；(1.3)活化将敏化的SiC晶须在按每升溶液中质量比为0.3克:0.25克0.5克:0.5克的PdCl2和HC1混合溶液中进行搅拌，并用超声波分散3050min，再用去离子水洗漆后得到活化的SiC晶须；(1.4)化学镀镍将经过以上处理后的SiC晶须加到镀镍液中，通过化学沉积实现SiC晶须表面镀镍，镀镍液配比为镀镍液组成配比(g/L)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>通过氨水调节镀镍液PH值到4.56，控制镀镍液温度为30°C50°C，反应时间1030min，并通过搅拌和超声波分散，再经清洗干燥；(2)原料混合步骤辨能满足所述重量百分比的TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr3C2和石墨粉末混合作为基体材料，投入到球磨罐中采用硬质合金球在行星式球磨机上进行湿磨，时间2436小时，转速180250rpm;再加入满足所述重量百分比的镀镍SiC晶须在行星式球磨机上进行球磨混合均匀，时间48小时，转速180250rpm;(3)模压成型步骤加入3wt。/。8wt。/。的成型剂聚乙烯醇，采用模压成型，模压压力150300MPa;(4)脱脂步骤采用真空烧结炉进行脱脂，真空度高于5Pa，脱脂温度200。C400。C，保温时间48h;(5)真空烧结步骤:采用真空烧结炉进行烧结，真空度不低于lxl(^Pa，烧结温度143(TC1470。C，保温时间5080min。所述的一种晶须增韧金属陶瓷刀具的制备方法，其特征在于所述原料混合步骤中，基体材料成分中添加NbC、TaC，其中元素Nb、Ta占添加后基体材料各元素总重量百分比为0.2《Nb《2，1《Ta《10。本发明采用Ni作为粘结相，不添加Co，目的是提高高温抗氧化性。用化学镀镍SiC晶须作为增韧材料，SiC晶须表面的Ni包覆层可以显著提高其与Ti(C，N)金属陶瓷基体的润湿性，以提高金属陶瓷的韧性。以TiC和TiN作为硬质相原料，无需固溶，降低成本，在烧结过程中即可得到Ti(C,N)固溶体；同时，由于Ni的抗氧化性能比Co强，采用Ni作为粘结相可以提高高温抗氧化性，更适于高速高效干式切削；制备方法简单，实施经济；如再添加NbC、TaC，可进一步提高材料性能。'本发明所制造的晶须增韧金属陶瓷刀具，其硬度90.592.8HRA，抗弯强度^1800MPa，断裂韧性KIC>10.0MPa.m1/2。其高温红硬性、耐磨性、化学稳定性和抗冲击韧性好，切削温度高，适合高速高效切削加工，尤其适合高速干式铣削不锈钢、铁基高温合金、高强结构钢、耐磨铸钢和玻封合金等难切削材料，在汽车、航空、航天和能源装备等制造行业具有很好的推广应用前景。具体实施方式实施例1:采用市售的SiC晶须，其中SiC晶须平均直径为5100nm，长度200800nm，熔点270(TC，理论密度3.2g/cm3，弹性模量414GPa，热膨胀系数3.28xl(T1。将SiC晶须分为6组，编号为101、102、103、104、105和106。其中101和102装载量为lg/L;103和104装载量为2g/L;105和106装载量为3g/L。1.SiC晶须表面镀镍按以下方式进行表面化学镀镍。(1)纯化将SiC晶须在如表1所示第1栏的混合溶液中搅拌和超声波进行分散，按第2栏的时间加热煮沸，清洗后再在如表1所示第3栏的混合溶液中搅拌和超声波进行分散，按第4栏的时间加热煮沸，再用去离子水充分冲洗过滤后即得到纯化的SiC晶须；表1纯化处理工艺<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>(2)敏化将纯化的SiC晶须在表2所示的混合溶液中搅拌，并按表2最后1栏的时间进行超声波分散，再用去离子水充分冲洗过滤后得到敏化的SiC晶须；表2敏化处理工艺<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>(3)活化将敏化后的SiC晶须在表3所示的混合溶液中搅拌，并按最后1栏的时间采用超声波进行分散，再用去离子水充分冲洗过滤后即得到活化的SiC晶须；表3活化处理工艺<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(4)化学镀镍将经过活化处理后的SiC晶须加入到表4中的镀镍液中，通过化学沉积实现SiC晶须表面镀镍；_表4镀镍液配比_镀镍液配比(g/L)十二<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>镀镍工艺参数如表5所示，按表5第1栏通过氨水来调节镀镍液PH值，按第2栏控制镀镍液温度，按第3栏控制反应时间，通过搅拌和超声波来进行分散，再经清洗后干燥；表5化学镀镍工艺参数编号PH值温度('C)时间(min)1014.530301024.550101035.335301045.340201056.030301066.050102.原料混合采用市售的TiC、TiN、Ni、WC、Mo、0*3(32和石墨粉末，按照重量百分比44.1wt.%Ti—12wt.%C—2.8wt.%N—15wt.%Ni—8wt.%W—14.9wt.%Mo—1.2wt.%Cr进行配料混合作为基体材料，分为等份的6组；先将配好的6组基体材料的原料粉末采用行星式球磨机湿磨混料，时间为24小时，转速250rpm;再将上述101、102、103、104、105和106号鍍镍SiC晶须，按照镀镍SiC晶须与基体材料的重量百分比为4:96进行配料，对应加入到所述6组基体材料的球磨罐中，构成AOl、A02、A03、A04、A05和A06共六组混合粉末，再球磨混料4小时，转速200rpm。3.模压成型将上述AOl、A02、A03、A04、A05和A06组磨好后的混合粉末各添加8w"/。的成型剂聚乙烯醇，混合后造粒，采用模压成型，单向压制压力为150MPa。4.脱脂采用真空烧结炉进行脱脂，在真空度高于5Pa下进行。脱脂温度300"C，保温时间6h。5.真空烧结采用真空烧结炉进行烧结，烧结温度为1455°C，保温时间60min;真空度不低于1.0Xl(TPa，得到各组金属陶瓷的力学性能如表6所示。表6晶须增韧金属陶瓷力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>实施例2:1.SiC晶须表面镀镍采用实施例l中的市售SiC晶须，按照实施例1中101106号SiC晶须镀镍工艺对SiC晶须表面进行化学镀镍处理。2.原料混合基体材料与镀镍SiC晶须按表7进行配料。表7晶须增韧金属陶瓷成分<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>球磨混料工艺如表8所示。表8球磨混料工艺<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>3.模压成型、脱脂将磨好后的粉末添加聚乙烯醇成型剂，添加量混合后造粒，采用模压成型。再采用真空烧结炉进行脱脂，在真空度高于5Pa下进行。模压成型与脱脂工艺如表9所示。表9模压成型与脱脂工艺模压成型脱脂工艺<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>4.真空烧结采用真空烧结炉进行烧结，其真空度不低于1.0X10—卞a，烧结工艺如表IO所示。表10真空烧结工艺<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>各金属陶瓷的力学性能如表11所示。表ll晶须增韧金属陶瓷力学性能配方硬度抗弯强断裂韧性序号HRA度MPaMPa.m1/2BlBllB1290.590.72205210114.813.2B2B21B2290.590.41997198714.114.5B3B31B3290.790.71981197513.612.8B4B41B4291.391.21870185013.913.4B5B51B5291.591.51906187512.912.6B6B61B6292.292.31859183410.311.0B7B71B7292.692.81807180611.311.4实施例3:进一步添加NbC、TaC。采用实施例1中的市售SiC晶须，按照实施例1中101106号SiC晶须镀镍工艺对SiC晶须表面进行化学镀镍处理。基体材料与镀镍SiC晶须按表12进行配料。表12晶须增韧金属陶瓷成分<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>先将配好的C1C8共8组基体材料的原料粉末采用行星式球磨机湿磨混料，时间为24小时，球磨转速250rpm，再对应加入如表12所示的镀镍SiC晶须，再球磨混料6小时，球磨转速200rpm。将磨好后的粉末添加7w"/。的成型剂聚乙烯醇，混合后造粒，采用模压成型单向压制力为150MPa。采用真空烧结炉进行脱脂，在真空度高于5Pa下进行。脱脂温度300°C，保温时间6h。采用真空烧结炉进行烧结，其真空度不低于1.0X10—卞a。烧结工艺如表13所示。表13真空烧结工艺<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>C5145060C6145550C7145550C8145550各组金属陶瓷的力学性能如表14所示。表14晶须增韧金属陶瓷力学性能配方硬度抗弯强度断裂韧性序号HRAMPaMPa.m1/2Cl90.2243214.0C290.3210413.3C390.7210813.2C491.2188912.7C591.4199512.3C692.2192011.1C792.6188611.5C892.8180610.8权利要求1.一种晶须增韧金属陶瓷刀具，将TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr3C2和石墨粉末作为基体材料混合球磨，再加入镀镍SiC晶须经球磨混料、模压成型、脱脂和烧结制成，最终生成相中硬质相为Ti(C，N)、粘结相为Ni、增韧相为SiC；基体材料中各元素重量百分比为38≤Ti≤49，7.5≤C≤12，2≤N≤3，15≤Ni≤25，5≤W≤14，11≤Mo≤15，0.8≤Cr≤1.2；镀镍SiC晶须与基体材料的重量百分比为2∶98～10∶90。2.如权利要求1所述的一种晶须增韧金属陶瓷刀具，其特征在于其基体材料成分中添加NbC和TaC，其中元素Nb、Ta占添加后基体材料各元素总重量百分比为0.2《Nb《2，l《Ta《10。3.—种权利要求1所述晶须增韧金属陶瓷刀具的制备方法，包括下述步骤(1)SiC晶须表面镀镍步骤在SiC晶须表面化学镀镍，其中SiC晶须装载量为l3g/L，过程如下(1.1)纯化将SiC晶须在体积比为1:11:3的HN03和H20混合溶液中搅拌，并用超声波分散，加热煮沸70min100min，清洗后再在体积比为1:15:3的HC1和H20混合溶液中搅拌，并用超声波分散，加热煮沸50min70min，再用去离子水冲洗过滤后得到纯化的SiC晶须；(1.2)敏化将纯化的SiC晶须在按每升溶液中质量比为10克:40克30克:40克的SnCl2'2H20和HC1混合溶液中进行搅拌，并用超声波分散3050min,再用去离子水洗涤后得到敏化的SiC晶须；(1.3)活化将敏化的SiC晶须在按每升溶液中质量比为0.3克:0.25克0.5克:0.5克的PdCl2和HC1混合溶液中进行搅拌，并用超声波分散3050min，再用去离子水洗涤后得到活化的SiC晶须；(1.4)化学镀镍将经过以上处理后的SiC晶须加到镀镍液中，通过化学沉积实现SiC晶须表面镀镍，镀镍液配比为<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>通过氨水调节镀镍液PH值到4.56，控制镀镍液温度为30°C50°C，反应时间1030min，并通过搅拌和超声波分散，再经清洗干燥；(2)原料混合步骤将能满足所述重量百分比的TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr3C2和石墨粉末混合作为基体材料，投入到球磨罐中采用硬质合金球在行星式球磨机上进行湿磨，时间2436小时，转速180250rpm;再加入满足所述重量百分比的镀镍SiC晶须在行星式球磨机上进行球磨混合均匀，时间48小时，转速180250rpm;(3)模压成型步骤加入3wt。/。8wt。/。的成型剂聚乙烯醇，采用模压成型，模压压力150300MPa;(4)脱脂步骤采用真空烧结炉进行脱脂，真空度高于5Pa，脱脂温度200。C400。C，保温时间48h;(5)真空烧结步骤采用真空烧结炉进行烧结，真空度不低于lxlO"Pa，烧结温度1430。C1470。C，保温时间5080min。4.如权利要求3所述的晶须增韧金属陶瓷刀具的制备方法，其特征在于所述原料混合步骤中，基体材料成分中添加NbC、TaC，其中元素Nb、Ta占添加后基体材料各元素总重量百分比为0.2《Nb《2，l《Ta《10。全文摘要一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法，属于金属陶瓷材料。将TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>和石墨粉末作为基体材料混合球磨，再加入镀镍SiC晶须经球磨混料、模压成型、脱脂和烧结制成，最终生成相中硬质相为Ti(C，N)、粘结相为Ni、增韧相为SiC。本发明的制备方法，包括SiC晶须表面镀镍、原料混合、模压成型、脱脂和真空烧结步骤。本发明的金属陶瓷物相组成为Ti(C，N)、Ni和SiC。其硬度90.5～92.8HRA，抗弯强度≥1800MPa，断裂韧性K<sub>IC</sub>≥10.0MPa.m<sup>1/2</sup>。其高温红硬性、耐磨性、化学稳定性和抗冲击韧性好，切削温度高，适合高速高效切削加工。文档编号C22C1/04GK101333616SQ20081004865公开日2008年12月31日申请日期2008年7月29日优先权日2008年7月29日发明者叶大萌,姚振华,杨青青,柯阳林,熊惟皓,峻瞿申请人:华中科技大学