一种TiB2晶须高温强韧化Ti(C,N)基金属陶瓷材料制备方法与流程

本发明涉及一种金属陶瓷刀具材料及其制备方法，更具体地说，涉及一种具有高速切削用高温环境使用的一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法。

背景技术：

切削加工是机械制造业中应用最广泛和最基本的加工方法，高速切削技术作为切削加工的发展方向，具有提高生产效率、降低生产成本等优点，而刀具是高效切削技术的关键。目前，应用于高速切削刀具领域应用最为广泛的为ti(c,n)基金属陶瓷刀具。

与传统的wc硬质合金相比，ti(c,n)基金属陶瓷具有优良的综合性能，在其硬度与硬质合金相同的情况下，密度只有硬质合金的一半，可降低成本;在使用寿命相同的情况下，ti(c,n)基金属陶瓷具有更高的切削速度与更低的加工表面粗糙度。在高速切削领域，可取代wc基硬质合金刀具。

ti(c,n)基金属陶瓷具有许多性能优势。具有高硬度，一般可达hra91-93.5，有些可达hra94-95，即达到非金属陶瓷刀具硬度水平；具有较高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨损能力，在高速切削钢料时磨损率极低，其耐磨性比wc基硬质合金高3-4倍，比涂层硬质合金高0.5-3倍；具有较高的抗氧化能力、耐热性，以及具有较好的化学稳定性，ti(c,n)基金属陶瓷与钢不易产生粘结，在700~900℃时未发现粘结情况，即不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度值较低。

但是ti(c,n)基金属陶瓷刀具的主要问题仍然是高温硬度和强韧度不足，限制了其在高速切削领域的广泛应用。为解决高温强韧化问题，研究者通过在ti(c,n)中加入高温硬质物，如tib2，以期通过tib2的高硬、高抗氧化性和化学稳定性来增硬ti(c,n)基金属陶瓷。如中国专利号zl201710556296.9中，采用反应热压烧结工艺制备ti(c,n)-tib2基金属陶瓷，制得高硬和高抗氧化性的金属陶瓷。但是反应热压法制备的材料形貌和组织难以控制，这对批量化生成刀具形成巨大的阻碍。中国专利号201710604367.8，采用模具成型制备ti(c,n)-tib2基金属陶瓷，制备了在高温下还具有高硬度和抗弯强度的刀具。以上专利，虽然通过添加tib2硬质相能大幅提高刀具在高温下的硬度，但是高温韧性还是不足，会影响刀具在高速切削时的耐用度。因此，研究者考虑在ti(c,n)基金属陶瓷其中加入晶须和纤维，以期通过晶须和纤维的增韧补强达到复合金属陶瓷材料的高温强韧化目的。如在中国专利号zl200710034792.4，授权公告日为2009年9月30日，发明创造名称为：sic晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片及其制备方法的申请案中，采用sic晶须作为增韧剂，使碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片具有高强度、高韧性和更好的耐磨性。在中国专利号zl200810048655.0，授权公告日为2010年6月2日，发明创造名称为：一种晶须增韧金属陶瓷刀具及其制备方法的申请案中，采用镀镍sic晶须作为增韧相，提高了金属陶瓷刀具的高温红硬性、耐磨性和抗冲击韧性。在中国专利号zl201410289095.3，授权公告日为2016年8月24日，发明创造名称为：一种tic晶须增强金属陶瓷及其制备方法的申请案中，采用tic晶须增强金属陶瓷，提高了现有ti(c,n)基金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性。在上述专利申请案中，均采用了晶须来作为ti(c,n)基金属陶瓷的增韧相，提高了金属陶瓷材料的强韧度。但是，在高温切削过程中，sic晶须和tic晶须易高温氧化，从而导致刀具的高温强度和硬度等性能降低。因此，本发明结合tib2晶须高温硬度和韧性均十分优异的特点，改性ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，以期获得在高速切削使用下的高强韧性刀具材料。

技术实现要素：

1.所要解决的技术问题：

本发明的目的在于克服现有晶须强韧化ti(c,n)基金属陶瓷存在的上述不足，提供一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法，采用本发明的技术方案，制作出的刀具材料综合性能良好，高温硬度和韧度优异，可做为高速切削（半）精加工的切削刀具材料

2.技术方案：

一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：进行反应原料配比；所述反应原料包括的组分及各个组分的百分比为：ti(c,n)：50~65%；tib2晶须：15~30%；wc：2~10%；mo2c：2~8%；tac：2~8%；nbc：2~8%；co：3~5%；ni：3~5%。

步骤二：在步骤一中的配好的冷等静压内加入石蜡和硫酸形成物料，放入造粒机中进行混和造粒；将造粒后的产物烘干形成烘干的物料。

步骤三：将步骤二中产生的烘干的物料放入刀具模具后进行真空封装；然后将真空封装后的物料进行冷等静压成型成所用的刀具生坯。

步骤四：将步骤三中最后液压成型的生坯置于气氛热压烧结炉中热压，炉温从三阶段升温至1600~1700℃，并保温1~2h后冷却取出试样。

在上述的步骤中，通过将反应原料成分进行合理配比和热压烧结工艺，从而能够控制ti(c,n)基复合金属陶瓷材料的综合性能良好，高温硬度和韧度优异；通过tib2晶须的负荷传递、拔出效应、界面解离以及晶须断裂、裂纹偏转等作用以及ti(c,n)和tib2形成的“核-壳”结构，综合提高复合金属陶瓷刀具材料的强韧性和抗高温氧化性。

进一步地，步骤一中加入的tib2晶须的晶须直径在300~1000nm之间，长径比在1:10~1:30之间。这种直径和长径比范围的tib2晶须，不仅tib2材料具有高硬度、高熔点、优良的化学稳定性、良好的耐磨耐蚀性、好的抗氧化性及导热导电性好等特殊的性能，而且在复合材料中能提供晶须增韧机理，提高材料的强韧性。

进一步地，步骤二中所述反应原料与石蜡和硫酸总和的比值为10:1~20:1。通过石蜡和硫酸的造粒工艺，能使物料混料均匀，而且成型和烧结更致密，有助于ti(c,n)基金属陶瓷材料的高速切削使用。

进一步地，步骤三中的冷等静压压强为150~200mpa；所述刀具磨具的材质为树脂。使用冷等静压可避免陶瓷生坯的过大收缩，放宽了对粉料颗粒的要求，制成的刀具材料无尺寸缺陷。

进一步地，步骤四中所述氛热压烧结炉中的气氛压强为≥5mpa；所述氛热压烧结炉中所选气氛为惰性气体。

进一步地，步骤四中所述三阶段升温具体包括以下步骤：步骤41、排胶工艺：0~350℃时，升温速度为2~5℃/min；步骤42、快速升温：350~1200℃时，升温速度为10~20℃/min；步骤43、缓慢升温：1200~1700℃时升温速度为5~10℃/min。

进一步地，步骤四中冷却采用快冷工艺；所述快冷工艺具体包括：当温度为1700~1400℃之间时采用随炉冷却方法；当温度为1400℃以下时，采用开启炉膛中散热扇，达到快冷的目的。

在上述过程中采用气氛热压烧结工艺，依靠气氛压力和三阶段升温以及快冷可使复合金属陶瓷材料在较低的温度及较短时间内达到致密化，获得综合性能良好的ti(c,n)基复合金属陶瓷材料。

3.有益效果：

（1）本发明的一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法，能制备获得综合性能良好，高温强度和韧度优异的ti(c,n)基复合金属陶瓷材料；对材料进行扫描电子显微镜（sem）分析，可以发现本发明所得材料具有ti(c,n)和tib2双“核-壳”结构，致密且结构分布均匀。

（2）本发明的一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法，制备的材料硬度达到1950~2200hv，断裂韧性达到8~10mpa·m^1/2，抗弯强度达到1100~1400mpa，因此具有极高的强韧性；同时在1000℃测试时，高温硬度达到800~1100hv，可用于高速高温切割刀具材料使用。

（3）本发明的一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法，具备工业化批量制备刀具的可能，实现刀具的产业化应用。

附图说明

图1是本发明实施例1tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料的扫描电子显微镜（sem）照片；

图2是本发明实施例2tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料的扫描电子显微镜（sem）照片；

图3是本发明对照例1tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料的扫描电子显微镜（sem）照片；

图4是本发明对照例2tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料的扫描电子显微镜（sem）照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

实施例1：一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一：进行反应原料配比；分别取ti(c,n):50g，tib2晶须:25g，wc:5g，mo2c：3g，tac：4g，nbc：4g，co:4g，，ni:5g。

步骤二：在步骤一中选取的粉体加入石蜡15g与硫酸5g，然后在混料机上混合均匀，并进行造粒机造粒。经造粒过的粉体在烘干机上烘干成最终粉体。上述的tib2晶须选取高强度tib2晶须，晶须直径在300~1000nm之间，长径比在1:10~1:30之间。

步骤三：根据所选刀具的形状选取合适树脂磨具，然后倒料并进行真空封装。最终放进液压油中进行冷等静压成型，成型压强为200mpa。成型后的生坯置于干燥箱中备烧。

步骤四：取步骤三中最后液压成型的生坯在气氛烧结炉中煅烧，气氛为氩气，压强为5mpa。烧结工艺为：升温工艺为0~350℃为3℃/min；350~1200℃为15℃/min；1200~1600℃为10℃/min；1600℃保温1h；降温工艺为1400~1600℃为炉冷，1400℃以下炉膛中散热扇开启，达到快冷。

将上述过程中气氛热压烧结后制备出的样品进行力学性能测试：维氏硬度为2080hv；抗弯强度为1247mpa；断裂韧性为8.2mpa·m^1/2，1000℃的高温硬度为987hv。将气氛热压烧结制备的样品在扫描电子显微镜（sem）下观察，如图1所示，发现所得材料具有ti(c,n)和tib2双“核-壳”结构，且能清晰的看到晶须形貌，致密且结构分布均匀。其中图1中的a图与b图为不同的放大倍数的扫描电子显微镜（sem）照片。

实施例2：一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一：进行反应原料配比；分别取ti(c,n):60g，tib2晶须:20g，wc:3g，mo2c：3g，tac：3g，nbc：3g，co:4g，，ni:4g。

步骤二：在步骤一中选取的粉体加入石蜡：17g，硫酸：3g，然后在混料机上混合均匀，并进行造粒机造粒。经造粒过的粉体在烘干机上烘干成最终粉体。上述的tib2晶须选取高强度tib2晶须，晶须直径在300~1000nm之间，长径比在1:10~1:30之间。

步骤三：根据所选刀具的形状选取合适树脂磨具，然后倒料并进行真空封装。最终放进液压油中进行冷等静压成型，成型压强为250mpa。成型后的生坯置于干燥箱中备烧。

步骤四：取步骤三中最后液压成型的生坯在气氛烧结炉中煅烧，气氛为氩气，压强为10mpa。烧结工艺为：升温工艺为0~350℃为2℃/min；350~1200℃为12℃/min；1200~1650℃为7℃/min；1650℃保温1h；降温工艺为1400~1650℃为炉冷，1400℃以下炉膛中散热扇开启，达到快冷。

将上述过程中气氛热压烧结后制备出样品进行力学性能测试：维氏硬度为2120hv；抗弯强度为1159mpa；断裂韧性为7.6mpa·m1/2，1000℃的高温硬度为1023hv。将气氛热压烧结制备的样品在扫描电子显微镜（sem）下观察，如图2所示，发现所得材料具有ti(c,n)和tib2双“核-壳”结构，致密且结构分布均匀。

实施例3：一种tib2晶须高温强韧化ti(c,n)基金属陶瓷材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一：进行反应原料配比；分别取ti(c,n):55g，tib2晶须:15g，wc:5g，mo2c：5g，tac：5g，nbc：5g，co:5g，，ni:5g。

步骤二：在步骤一中选取的粉体加入石蜡：10g，硫酸：10g，然后在混料机上混合均匀，并进行造粒机造粒。经造粒过的粉体在烘干机上烘干成最终粉体。上述的tib2晶须选取高强度tib2晶须，晶须直径在300~1000nm之间，长径比在1:10~1:30之间。

步骤三：根据所选刀具的形状选取合适树脂磨具，然后倒料并进行真空封装。最终放进液压油中进行冷等静压成型，成型压强为150mpa。成型后的生坯置于干燥箱中备烧。

步骤四：取步骤三中最后液压成型的生坯在气氛烧结炉中煅烧，气氛为氩气，压强为8mpa。烧结工艺为：升温工艺为0~350℃为5℃/min；350~1200℃为20℃/min；1200~1650℃为10℃/min；1650℃保温1h；降温工艺为1400~1650℃为炉冷，1400℃以下炉膛中散热扇开启，达到快冷。

将上述步骤中气氛热压烧结后制备出样品进行力学性能测试：维氏硬度为2069hv；抗弯强度为1315mpa；断裂韧性为8.7mpa·m^1/2，1000℃的高温硬度为969hv。

对照例1：

（1）分别取ti(c,n):55g，tib2晶须:15g，wc:5g，mo2c：5g，tac：5g，nbc：5g，co:5g，，ni:5g。上述的tib2晶须选取高强度tib2晶须，晶须直径在300~1000nm之间，长径比在1:10~1:30之间。

（2）根据所选刀具的形状选取合适树脂磨具，然后倒料并进行真空封装。最终放进液压油中进行冷等静压成型，成型压强为150mpa。成型后的生坯置于干燥箱中备烧。

（3）取上述生坯在气氛烧结炉中煅烧，气氛为氩气，压强为8mpa。烧结工艺为：升温工艺为0~350℃为5℃/min；350~1200℃为20℃/min；1200~1650℃为10℃/min；1650℃保温1h；降温工艺为1400~1650℃为炉冷，1400℃以下炉膛中散热扇开启，达到快冷。

（4）将气氛热压烧结制备的样品进行力学性能测试：维氏硬度为1793hv；抗弯强度为799mpa；断裂韧性为6.5mpa·m^1/2，1000℃的高温硬度为678hv。将气氛热压烧结制备的样品在扫描电子显微镜（sem）下观察，如图3所示，虽然也能观察到ti(c,n)和tib2双“核-壳”结构，但所得材料孔洞增多，组织分布不均匀，致密性欠佳。

以下是本发明专利的具体实施对照例，但本发明专利并不限于这些对照例。

对照例2：

（1）分别取ti(c,n):60g，tib2晶须:20g，wc:3g，mo2c：3g，tac：3g，nbc：3g，co:4g，，ni:4g。在上述粉体加入石蜡：10g，硫酸：10g，然后在混料机上混合均匀，并进行造粒机造粒。经造粒过的粉体在烘干机上烘干成最终粉体。上述的tib2晶须选取高强度tib2晶须，晶须直径在300~1000nm之间，长径比在1:10~1:30之间。

（2）取上述粉体在h型液压机上100mpa干压，后脱模取得烧结生坯。取生坯在气氛烧结炉中煅烧，气氛为氩气，压强为10mpa。烧结工艺为：升温工艺为0~350℃为2℃/min；350~1200℃为12℃/min；1200~1650℃为7℃/min；1650℃保温1h；降温工艺为1400~1650℃为炉冷，1400℃以下炉膛中散热扇开启，达到快冷。

（3）将气氛热压烧结制备的样品进行力学性能测试：维氏硬度为1870hv；抗弯强度为879mpa；断裂韧性为6.8mpa·m^1/2，1000℃的高温硬度为745hv。将气氛热压烧结制备的样品在扫描电子显微镜（sem）下观察，如图4所示，虽然也能观察到ti(c,n)和tib2双“核-壳”结构，但所得材料孔洞增多，致密性欠佳。

上述对照例1表明：将本发明中造粒工艺去除，由于粉体成型差，金属粘结剂聚集严重，因而无法制得综合性能优异的ti(cn)金属陶瓷材料。上述对照例2表明：将本发明中冷等静压更换为简单的压制成型，由于h型液压机有成型压力方向，无法获得均匀的压制成型，因此获得的ti(cn)金属陶瓷材料机械性能偏差。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。