Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法
【专利摘要】一种Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，依次经过原料组配、球磨混料、烘干、模压成型、脱脂、烧结等步骤，原料中各组分的质量百分比为：TiC?40～60％、TiN?10-20％、WC?3-7％、Ni?13-20％、Mo?7-11％、C?0.5-1％、Y?0.4-0.8％、AlN?1-5％；在原料粉末中加入稀土元素Y和AlN，通过稀土元素Y对相界面的起到了净化作用，使相界面的结合强度得到增强，提高了材料强韧性；而加入的AlN使Ti(C，N)基金属陶瓷的粘结相得到强化，从而提高金属陶瓷的硬度和强度。具有低密度，高硬度，对钢的摩擦系数小，切削时粘结磨损和扩散磨损小，红硬性好的优点。
【专利说明】Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及合金材料的【技术领域】，具体说是一种具有低密度和高硬度，且生产成本低廉的Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法。
【背景技术】
[0002]金属陶瓷的发展至今主要经历三个过程:一、1929年德国发明了 TiC-Ni基金属陶瓷，虽然有优良的高温力学性能和低密度的特点，但是由于Ni对TiC颗粒的润湿性差，TiC颗粒易聚集长大，材料强度和韧性较差；二、1956年美国福特公司发明了 TiC-Mo2C-Ni金属陶瓷，金属陶瓷强度得到提高；三、1971年维也纳工业大学发现了在TiC-Mo2C-Ni金属陶瓷中加入TiN，可以进一步细化硬质相颗粒，抗高温蠕变能力，红硬性，室温强韧性都有提高。
[0003]但是随着TiN的引入，在烧结过程中产生脱氮现象，增大了材料的孔隙率，脱氮造成的总效应是降低可烧结性和强度。
[0004]近些年来，科研人员进行了大量的研究，通过对材料制备中的组份设计，反应机理的研究，制造方法和加工工艺的优化，希望能够同时提高材料的硬度和抗弯强度，使其综合性能能够满足工业生产的需求，但是，通过国内金属陶瓷产品的使用范围和比例，其产业发展还处在初期阶段，性能还需要改进提高。随着对纳米材料的逐步认识，利用纳米粉制备纳米Ti (C，N)基金属陶瓷的研究越来越多，但是至今还不能制备非常致密化的Ti (C，N)基金属陶瓷，其制备过 程有许多问题需要解决，另外纳米陶瓷粉的制备成本非常高，因此开发新的适于纳米Ti (C，N)基金属陶瓷的烧结方法烧结工艺以及制备纳米混合粉的工艺方法将成为但前的研究重点。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种具有低密度和高硬度，且生产成本低廉的Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法。
[0006]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
[0007]本发明的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，具有以下步骤:
[0008]A、进行原料组配，原料中各组分的质量百分比为:TiC 40~60%、TiN 10-20%,WC 3-7%, Ni 13-20%, Mo 7-11%, C 0.5-1%, Y 0.4-0.8%, AlN 1-5% ；
[0009]B、按每千克原料加入850毫升无水乙醇的配比，在上述原料中加入无水乙醇，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比为8: 1，球磨机转速为300r/min，在球磨机中混料72小时；
[0010]C、将上述步骤中得到的混料料浆在电热干燥箱中进行干燥，干燥温度为78±5°C，干燥时间12小时；
[0011]D、配置质量百分比为8%的聚乙烯醇溶液，并将聚乙烯醇溶液加入到混合物料中，加入的聚乙烯醇溶液质量为干燥混合物料质量的6%，均匀混合后干燥造粒，过200目筛；
[0012]E、将D步骤中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mm X 5.6mm X 40mm,压还表面无裂纹；
[0013]F、将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度不低于10Pa，炉温从200°C开始以2V /min的升温速度升温到800°C，并保持800°C的温度2小时；
[0014]G、在真空烧结炉中进行烧结，固相烧结阶段的真空度在1-1OPa之间，液相烧结阶段真空度在1_10 2Pa之间。
[0015]本发明的Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法中，还可以采用以下技术方案:
[0016]原料中各组分的质量百分比为:TiC 49.6%,TiN 15%,WC 5%,Ni 17%,Mo 9%,C 0.8%, Y 0.6%, AlN 3%。
[0017]本发明具有的优点和积极效果是: [0018]本发明的Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法中，同时加入稀土元素Y和A1N，通过稀土元素Y与烧结体中的杂质形成难溶化合物并分布在Ti (C，N) /Ni相界面上，一方面对相界面的起到了净化作用，使相界面的结合强度得到增强，使硬质相颗粒得到细化，另一方面可减少孔隙的存在，提高材料的致密度，有利于材料强韧性的提高。而在Ti (C，N)基金属陶瓷中加入A1N，会在粘结相中形成r’相即Ni3 (Al，Ti)，使Ti (C，N)基金属陶瓷的粘结相得到强化，从而提高金属陶瓷的硬度和强度。本发明生产出的Ti (C，N)基金属陶瓷与硬质合金相比，具有低密度，高硬度，对钢的摩擦系数小，切削时粘结磨损和扩散磨损小，红硬性好的优点。该Ti(C，N)基金属陶瓷材料配方中主要成分是TiC，对国家战略资源W的消耗量少，并且不含Co (中国贫Co，储量不足全球的1% )。Ti (C，N)基金属陶瓷的密度小(7g/cm3左右)，生产制备时所需原料粉末的市场价格较低，而生产过程中，不需要高端设备及复杂的工艺流程，生产运行成本远低于硬质合金材料。
【具体实施方式】
[0019]以下通过实施例对本发明进行详细的说明。
[0020]实施例1:本发明的Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法，具有以下步骤:
[0021]A、进行原料组配，原料中各组分的质量百分比为:TiC 48.1%, TiN20%, WC 3%,Ni 20%,Mo 7%, C 0.5%, Y 0.4%, AlN 1% ；
[0022]B、按每千克原料加入850毫升无水乙醇的配比，在上述原料中加入无水乙醇，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比为8: 1，球磨机转速为300r/min，在球磨机中混料72小时；
[0023]C、将上述步骤中得到的混料料浆在电热干燥箱中进行干燥，干燥温度为78°C，干燥时间12小时；
[0024]D、配置质量百分比为8%的聚乙烯醇溶液，并将聚乙烯醇溶液加入到混合物料中，加入的聚乙烯醇溶液质量为干燥混合物料质量的6%，均匀混合后干燥造粒，过200目筛；
[0025]E、将D步骤中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mm X 5.6mm X 40mm,压还表面无裂纹；
[0026]F、将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度不低于10Pa，炉温从200°C开始以2V /min的升温速度升温到800°C，并保持800°C的温度2小时；
[0027]G、在真空烧结炉中进行烧结，固相烧结阶段的真空度在IPa，液相烧结阶段真空度在 I (T2Pa。[0028]实施例2:
[0029]A、进行原料组配，原料中各组分的质量百分比为:TiC 49.6%, TiN15%, WC 5%,Ni 17%,Mo 9%, C 0.8%, Y 0.6%, AlN 3% ；
[0030]B、按每千克原料加入850毫升无水乙醇的配比，在上述原料中加入无水乙醇，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比为8: 1，球磨机转速为300r/min，在球磨机中混料72小时；
[0031]C、将上述步骤中得到的混料料浆在电热干燥箱中进行干燥，干燥温度为78°C，干燥时间12小时；
[0032]D、配置质量百分比为8%的聚乙烯醇溶液，并将聚乙烯醇溶液加入到混合物料中，加入的聚乙烯醇溶液质量为干燥混合物料质量的6%，均匀混合后干燥造粒，过200目筛；
[0033]E、将D步骤中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mm X 5.6mm X 40mm,压还表面无裂纹；
[0034]F、将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度不低于10Pa，炉温从200°C开始以2V /min的升温速度升温到800°C，并保持800°C的温度2小时；
[0035]G、在真空烧结炉中进行烧结，固相烧结阶段的真空度在5Pa，液相烧结阶段真空度在 KT1Pa15
[0036]实施例3:
[0037]A、进行原料组配，原料中各组分的质量百分比为:TiC 40%, Τ?Ν15.2%, WC ?%、Ni 20%,Mo 11%, C 1%, Y 0.8%, AlN 5% ；
[0038]B、按每千克原料加入850毫升无水乙醇的配比，在上述原料中加入无水乙醇，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比为8: 1，球磨机转速为300r/min，在球磨机中混料72小时；
[0039]C、将上述步骤中得到的混料料浆在电热干燥箱中进行干燥，干燥温度为73°C，干燥时间12小时；
[0040]D、配置质量百分比为8%的聚乙烯醇溶液，并将聚乙烯醇溶液加入到混合物料中，加入的聚乙烯醇溶液质量为干燥混合物料质量的6%，均匀混合后干燥造粒，过200目筛；
[0041]E、将D步骤中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mm X 5.6mm X 40mm,压还表面无裂纹；
[0042]F、将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度不低于lOPa，炉温从200°C开始以2V /min的升温速度升温到800°C，并保持800°C的温度2小时；
[0043]G、在真空烧结炉中进行烧结，固相烧结阶段的真空度在lOPa，液相烧结阶段真空度在IPa。
[0044]实施例4:
[0045]A、进行原料组配，原料中各组分的质量百分比为:TiC 60%,TiN 10%,WC 3%,Ni13%,Mo 11%, C 1%, Y 0.8%, AlN 1.2% ；
[0046]B、按每千克原料加入850毫升无水乙醇的配比，在上述原料中加入无水乙醇，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比为8: 1，球磨机转速为300r/min，在球磨机中混料72小时；
[0047]C、将上述步骤中得到的混料料浆在电热干燥箱中进行干燥，干燥温度为83°C，干燥时间12小时；
[0048]D、配置质量百分比为8%的聚乙烯醇溶液，并将聚乙烯醇溶液加入到混合物料中，加入的聚乙烯醇溶液质量为干燥混合物料质量的6%，均匀混合后干燥造粒，过200目筛；
[0049]E、将D步骤中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为
5.6mm X 5.6mm X 40mm,压还表面无裂纹；
[0050]F、将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度不低于10Pa，炉温从200°C开始以2V /min的升温速度升温到800°C，并保持800°C的温度2小时；
[0051]G、在真空烧结炉中进行烧结，固相烧结阶段的真空度在IOPa之间，液相烧结阶段真空度在10_2Pa之间。
[0052]在Ti (C，N)基金属陶瓷的粉末原料中，含有0，S等杂质元素，烧结过程中会对生成的材料性能产生不利影响，由于稀土元素具有较强的化学活性，易与烧结体中的杂质形成难溶化合物并分布在Ti (C，N)/Ni相界面上，一方面对相界面的起到了净化作用，使相界面的结合强度得到增强，而且可以使硬质相颗粒得到细化，另一方面可减少孔隙的存在，提高材料的致密度，有利于材料强韧性的提高。而在Ti(C，N)基金属陶瓷中加入A1N，会在粘结相中形成r’相即Ni3 (Al ,Ti)，使Ti (C，N)基金属陶瓷的粘结相得到强化，从而提高金属陶瓷的硬度和强度。
[0053]本发明通过同时加入稀土元素Y和A1N，严格控制合理的添加比例，并且优化硬质相，粘结相物质的加入量，结合成熟的烧结工艺，使硬度值> 91HRA.抗弯强度> 1900MPa。
[0054]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种Ti (C，N)基金属陶瓷的制备方法，具有以下步骤: A、进行原料组配，原料中各组分的质量百分比为:TiC40~60%、TiN 10-20%, WC3-7%, Ni 13-20%,Mo 7-11%, C 0.5-1%, Y 0.4-0.8%, AlN 1-5% ； B、按每千克原料加入850毫升无水乙醇的配比，在上述原料中加入无水乙醇，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比为8: 1，球磨机转速为300r/min，在球磨机中混料72小时； C、将上述步骤中得到的混料料浆在电热干燥箱中进行干燥，干燥温度为78±5°C，干燥时间12小时； D、配置质量百分比为8%的聚乙烯醇溶液，并将聚乙烯醇溶液加入到混合物料中，加入的聚乙烯醇溶液质量为干燥混合物料质量的6%，均匀混合后干燥造粒，过200目筛； E、将D步骤中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mmX 5.6mmX 40mm,压坯表面无裂纹； F、将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度不低于10Pa，炉温从200°C开始以2°C /min的升温速度升温到800°C，并保持800°C的温度2小时； G、在真空烧结炉中进行烧结，固相烧结阶段的真空度在1-1OPa之间，液相烧结阶段真空度在l_10-2Pa之间。
2.根据权利要求1所述的Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法，其特征在于:原料中各组分的质量百分比为:TiC 49.6%, TiN 15%, WC 5%, Ni 17%, Mo 9%, C 0.8%, Y 0.6%,AlN 3%。`
【文档编号】C22C29/02GK103774021SQ201210398963
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月19日 优先权日:2012年10月19日
【发明者】郑汉东 申请人:郑汉东