专利名称：含纳米立方氮化硼的金属陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明主要涉及金属陶瓷及其制备方法，尤其涉及Ti (C，N)基金属陶瓷及其制备方法。
背景技术：
Ti (C，N)基金属陶瓷是一类以Ti (C，N)粉或TiC与TiN的混合粉为硬质相主要原料，以Co、Ni、Mo等金属为粘接相原料，且通常还加入有WC、TaC, NbC, Mo2C, W、Cr3C2等过渡族金属碳化物为添加剂经过粉碎、混合一模压一烧结所形成的复合材料，主要用于制造切削工具。其中，粘接相金属的选择范围较宽，如CN102046823A的专利文献中就提出可 在铁族金属中任意选取。实际上，进一步结合该专利文献，可以将Ti (C，N)基金属陶瓷中的硬质相概括为是由选自元素周期表第4族、第5族和第6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶体中的一种或多种化合物构成，且构成这些化合物的金属元素主要为Ti。目前，为了提高Ti (C，N)基金属陶瓷的硬度、断裂韧性和抗弯强度，本领域的研究方向主要集中在过渡族金属碳化物的添加方面。参考文献一 “纳米TiN改性Ti (C，N)基金属陶瓷抗热振性能，张晓波等，硬质合金，第24卷第3期，2007年9月”中指出，在Ti (C，N)基金属陶瓷中添加纳米TiN可显著提高金属陶瓷综合力学性能，主要原因在于1、纳米TiN在粘接相中的溶解占位而降低了硬质相在粘接相中的溶解度，由此使硬质相的晶粒得到细化；2、纳米TiN颗粒对错位起钉扎作用，增大了位错运动的阻碍；3、纳米TiN易在粘接相中溶解，其Ti对粘接相金属起固溶强化作用。
发明内容
本发明旨在提供一种具有优异的综合力学性能的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷及其制备方法，以及采用该金属陶瓷的切削工具。为此，本发明的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷材料包括硬质相，所述硬质相由选自周期表第4族、第5族和第6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶体中的一种或多种化合物构成，且构成这些化合物的金属元素主要为Ti ；粘接相，所述粘接相主要由铁族金属构成；以及强化相，所述强化相由纳米立方氮化硼颗粒构成，每单位重量的金属陶瓷中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量占1% 13%。立方氮化硼(CBN)是仅次于金刚石的第二硬材料，具有良好的物理化学性能，在14000C以上仍具有高的热稳定性。研究发现，加入纳米立方氮化硼颗粒后，烧结过程中纳米立方氮化硼颗粒并不会与金属陶瓷中的硬质相和粘接相发生反应，纳米立方氮化硼颗粒以弥散相质点的方式存在于金属陶瓷基体中，在大幅度提高金属陶瓷硬度的同时，纳米立方氮化硼颗粒对位错起钉扎作用，增大了位错运动的阻碍，起到了弥散增强的作用，可提高金属陶瓷材料的强度和韧性。基于这样的机理，本发明的金属陶瓷在硬度、抗弯强度和断裂韧性上几乎均得到提高，达到优异的综合力学性能。试验表明，若每单位重量的金属陶瓷中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量所占比例大于13 %时，材料中脆性相增多将致使材料的抗弯强度和断裂韧性降低至较低的程度。在本发明的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷中，每单位重量的金属陶瓷中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量最好占5% 10%。通过试验表明，当纳米立方氮化硼颗粒的重量占每单位金属陶瓷材料重量的5% 10%时，金属陶瓷材料在硬度、抗弯强度和断裂韧性方面均明显优于现有金属陶瓷材料。若纳米立方氮化硼含量低于5%时，则作用不明显；而高于10%时，强化相的增多导致材料抗弯强度和断裂韧性明显降低。通常情况下，所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的至少一种。本发明的切削工具，具有含纳米立方氮化硼的金属陶瓷基体，所述金属陶瓷基体 包括硬质相，所述硬质相由选自元素周期表第4族、第5族和第6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶体中的一种或多种化合物构成，且构成这些化合物的金属元素主要为Ti ；粘接相，所述粘接相主要由铁族金属构成；以及强化相，所述强化相由纳米立方氮化硼颗粒构成，每单位重量的金属陶瓷基体中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量占I % 13%。基于已陈述的理由，在本发明的切削工具中，每单位重量的金属陶瓷基体中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量最好占5% 10%。通常情况下，所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的至少一种。本发明的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷的制备方法，包括的步骤为I)制备粉末混合物原料的组份及配比(重量百分比)
Ti (C, N)粉40% 60%
铁族金属粉10% 20 %
纳米立方氮化硼颗粒 I % 13%
过渡族金属碳化物粉 其余按照上述组份及配比，将Ti (C，N)粉、铁族金属粉、纳米立方氮化硼颗粒以及过渡族金属碳化物粉进行混料，制得粉末混合物；2)成型通过压力成型将上述粉末混合物制成压坯；3)烧结将上述压坯置于保护气氛中进行低压加压烧结，烧结时在1350°C 1450°C下保温I小时 3小时，烧结压力为4MPa 8Mpa，冷却后即得到所述含纳米立方氮化硼的金属陶瓷。作为优选，纳米立方氮化硼颗粒在原料中的配比为5% 10%。
通常情况下,所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的至少一种。通常情况下，所述过渡族金属碳化物选自WC、TaC、NbC、Mo2C、VC中的至少一种。其中，压力成型可以选择模压、等静压、挤压和轧制等方法。需指出的是，本发明所采用的金属陶瓷强化机理与参考文献一 “纳米TiN改性Ti(C，N)基金属陶瓷抗热振性能，张晓波等，硬质合金，第24卷第3期，2007年9月”中采用的强化机理有着本质的不同本发明基于立方氮化硼不与金属陶瓷中的硬质相和粘接相发生反应的特性，从而既利用了立方氮化硼极高的硬度(HV72000)来大幅度提高金属陶瓷材料的硬度及耐磨性，同时又利用纳米立方氮化硼颗粒对位错起钉扎作用来增大了位错运动的阻碍，起到了弥散增强的作用；而参考文献中使用的纳米TiN粉末在烧结过程恰好会溶于粘接相，因此其主要是通过纳米TiN在粘接相中的溶解使硬质相的晶粒得到细化以及实现固溶强化来提高金属陶瓷的力学性能。另外，参考文献中，纳米TiN粉末由于在烧结过程中 会溶于粘接相，降温时析出于Ti (C，N)表面，实际上不会形成分布于金属陶瓷基体内的弥散相，并不能起到本发明这种弥散强化的效果。况且，TiN颗粒的硬度也不及立方氮化硼。
具体实施例方式<试验例>制造Ti (C，N)基金属陶瓷，然后对这些Ti (C，N)基金属陶瓷材料的硬度、断裂韧性和抗弯强度进行检测。试验的基本步骤为I)制备粉末混合物按设定的组份及配比称取原料，在滚筒式球磨机中以球料比(8 10) :1，20 40转/分钟的速度，进行70小时 90小时的混合球磨，制备得到粉末混合物。2)成型在粉末混合物中加入石蜡、PEG等成型剂，搅拌均匀，过筛后在模具中模压制成压坯，模压压力为200MPa 400MPa。3)烧结将上述压坯置于保护气氛中进行烧结，冷却后得到Ti (C，N)基金属陶瓷。[表 I]原料的组份及配比(重量百分比)表I
权利要求
1.含纳米立方氮化硼的金属陶瓷，包括 硬质相，所述硬质相由选自元素周期表第4族、第5族和第6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶体中的一种或多种化合物构成，且构成这些化合物的金属元素主要为Ti ； 粘接相，所述粘接相主要由铁族金属构成；以及 强化相，所述强化相由纳米立方氮化硼颗粒构成，每单位重量的金属陶瓷中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量占I % 13%。
2.如权利要求I所述的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷，其特征在于每单位重量的金属陶瓷中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量占5% 10%。
3.如权利要求I或2所述的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷，其特征在于所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的至少一种。
4.切削工具，具有含纳米立方氮化硼的金属陶瓷基体，所述金属陶瓷基体包括 硬质相，所述硬质相由选自元素周期表第4族、第5族和第6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶体中的一种或多种化合物构成，且构成这些化合物的金属元素主要为Ti ； 粘接相，所述粘接相主要由铁族金属构成；以及 强化相，所述强化相由纳米立方氮化硼颗粒构成，每单位重量的金属陶瓷中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量占I % 13%。
5.如权利要求4所述的切削工具，其特征在于每单位重量的金属陶瓷基体中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量占5% 10%。
6.如权利要求4或5所述的切削工具，其特征在于所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的至少一种。
7.含纳米立方氮化硼的金属陶瓷的制备方法，包括的步骤为 O制备粉末混合物 原料的组份及配比(重量百分比)Ti (C, N)粉:40% 60%铁族金属粉10% 20%纳米立方氮化硼颗粒 I % 13% 过渡族金属碳化物粉 其余 按照上述组份及配比，将Ti (C，N)粉、铁族金属粉、纳米立方氮化硼颗粒以及过渡族金属碳化物粉进行混料，制得粉末混合物； 2)成型 通过压力成型将上述粉末混合物制成压坯； 3)烧结 将上述压坯置于保护气氛中进行低压加压烧结，烧结时在1350°C 1450°C下保温I小时 3小时，烧结压力为4MPa 8Mpa，冷却后即得到所述含纳米立方氮化硼的金属陶瓷。
8.如权利要求7所述的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷的制备方法，其特征在于纳米立方氮化硼颗粒在原料中的配比为5% 10%。
9.如权利要求7或8所述的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷的制备方法，其特征在于所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的至少一种。
10.如权利要求4或5述的金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述过渡族金属碳化物选自wc、TaC, NbC, Mo2C, VC中的至少一种。
全文摘要
本发明公开了一种具有优异的综合力学性能的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷及其制备方法。本发明的含纳米立方氮化硼的金属陶瓷材料包括硬质相，所述硬质相由选自周期表第4族、第5族和第6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氮化物固溶体中的一种或多种化合物构成，且构成这些化合物的金属元素主要为Ti；粘接相，所述粘接相主要由铁族金属构成；以及强化相，所述强化相由纳米立方氮化硼颗粒构成，每单位重量的金属陶瓷中所述纳米立方氮化硼颗粒的重量占1％～13％。纳米立方氮化硼颗粒以弥散相质点的方式存在于金属陶瓷基体中，在大幅度提高金属陶瓷硬度的同时，纳米立方氮化硼颗粒起到了弥散增强的作用，可提高金属陶瓷材料的强度和韧性。
文档编号C22C1/05GK102943195SQ20121044825
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者颜焰, 陈辉, 万武辉 申请人:成都美奢锐新材料有限公司