专利名称：纳米WC-Co复合粉改性的Ti(CN)基金属陶瓷及其制备方法
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。
技术背景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°C，干燥时间90 150分钟；所述预烧的温度为200 500'C，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'C，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°C，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，硬质相为芯一环结 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l:
按以下的质量配比准备原料粉末17%的纳米WC-10%Co复合粉、45M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9(TC，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°C)，并在1450'C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KlC为9.02MPam1/2。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fK).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、 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KlC为8.77MPam1/2。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fK).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l:ll，球磨转速为36转/分钟，球磨混合时间为50小时，球 磨分散后的桨料经喷雾干燥(喷嘴出口温度9(TC)、精密压制成形后，再经3小时的预 烧(200 500°C)，最后在1450'C的112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KlC为9.53MPam1/2。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=lmm、进给fN).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KlC为8.27MPam1/2。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-lmm、 进给fK).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11 (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l : 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'C) 2小时、精密压制成形后，再经3小时的预烧(200 50(TC)，最后在 146(TC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Kjc为8.67MPam1/2。
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°C) 2小时、精密压制成形后，再经3小时的预烧(200 500°C)，最后在 1420°C、 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!c为11.09MPam1/2 。
权利要求
1. 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。
2、 根据权利要求l所述的纳米WC-Co复合粉改性的Ti (CN)基金属陶瓷，其特征 在于所述纳米WC-Co复合粉的粒度为100纳米以下。
3、 根据权利要求1所述的纳米WC-Co复合粉改性的Ti (CN)基金属陶瓷，其特征 在于所述纳米WC-Co复合粉以外的其他原料粉末为微米或亚微米粉末，其纯度均大于 99%，且平均粒度均小于1.5微米。
4、 一种权利要求1 3中任一项所述的纳米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、球磨桨料的干燥、精密压制、预 烧以及真空烧结或多气氛烧结或高温压力烧结；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，球磨分 散时间为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°C，干燥时间90 150分钟；所述预烧的温度为200 500°C， 时间为2 4小时；所述真空烧结或多气氛烧结的烧结温度为1400 147(TC，保温时 间为50 90分钟；所述高温压力烧结的烧结温度为1390 1440°C，压强为45 70个标 准大气压，保温时间为40 60分钟。
全文摘要
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。
文档编号C22C30/00GK101255520SQ20081003101
公开日2008年9月3日 申请日期2008年4月7日 优先权日2008年4月7日
发明者周书助, 唐宏珲, 张洁尧, 屏 李, 伟 潘, 王社权, 胡茂中 申请人:株洲钻石切削刀具股份有限公司