专利名称：金刚石－Ti(C，N)基金属陶瓷复合材料及制备方法
技术领域：
本发明主要涉及一种金属陶瓷复合材料及其制备方法，具体涉及金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料及其制备方法。
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、Cu等金属为粘接相原料，且通常还加入WC、TaC、NbC、Mo2C、VC、Cr3C2等过渡族金属碳化物，经过混料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。·
为了提高Ti (C，N)基金属陶瓷的硬度及切削性能，本申请的发明人曾在原料中直接添加金刚石并进行机械混合，之后再按现有方式制得了一种含有金刚石的Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料。在高速切削试验中发现，这种材料对金刚石的把持力不足，在高速切削过程中金刚石容易脱落；另外，虽然这种材料的硬度有明显提高，但耐磨性、断裂韧性和抗弯强度并不理想。发明人进一步研究发现，造成上述问题的原因主要有以下几方面第一，粘结相金属对金刚石的浸润性差，无法有效阻止金刚石与过渡族金属碳化物界面的形成，造成材料基体对金刚石的把持力较低；第二，高温烧结时金刚石容易热损伤，从而降低材料的耐磨性；第三，高温烧结导致金刚石的表面石墨化，使材料的耐磨性、断裂韧性和抗弯强度整体下降。
发明内容
本申请旨在提供一种在提高硬度的同时可保证耐磨性的金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料及其制备方法。针对本申请的金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料，该材料是由以下方法制备得到，该方法包括的步骤为I)制备粉末混合物原料的组份及配比(重量百分比)Ti (C，N)粉末 40% 60%铁族金属10% 15%粉末添加剂10% 20%过渡族金属碳化物其余所述粉末添加剂由平均粒径为20微米 70微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成，所述金属镀层选自Co、Ni中的至少一种；按照上述组份及配比，将所述Ti (C，N)粉末、铁族金属、粉末添加剂以及过渡族金属碳化物进行混合，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)烧结采用放电等离子技术对上述压坯进行烧结，烧结时在30分钟 40分钟内将压坯加热至1100°c 1250°C并保温2分钟 10分钟，烧 结压力为20Mpa 40Mpa，冷却后即得到所述金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料。在本申请金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料制备时的烧结过程中，由Co、Ni中的至少一种构成的金属镀层与过渡族金属碳化物进行反应，从而能有效阻止金刚石粒芯与过渡族金属碳化物界面的形成，由此增强了材料基体对金刚石粒芯的把持力和金刚石热稳定性，从而在提高金属陶瓷复合材料硬度的同时增强了高速切削过程中材料的耐磨性。此外，采用本申请的放电等离子烧结条件，有效降低了烧结温度和减少烧结时间，从而减少金刚石粒芯在高温烧结过程中的石墨化转变，增强金刚石的稳定性，提高金属陶瓷复合材料的硬度、强韧性及耐磨性。粉末添加剂采用平均粒径为20微米 70微米的颗粒物，可确保金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料在高速切削过程中表现出优异的切削和耐磨损性能。所述金属镀层的重量最好占每单位粉末添加剂重量的5% 10%，以实现金属镀层对金刚石粒芯的完全包覆，保证材料基体对金刚石粒芯的充分把持。若金属镀层的重量占每单位粉末添加剂重量的比例小于5%，则难以实现金属镀层对金刚石粒芯的完全包覆，材料基体对金刚石粒芯的把持性能的提高不会十分明显(但仍有一定提高)；但如果金属镀层的重量占每单位粉末添加剂重量的比例大于10 %，金属镀层在化学镀过程中会疏松化，导致金属镀层对金刚石的把持性能下降。通常情况下，所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的一种或几种。通常情况下，所述过渡族金属碳化物选自WC、TaC、NbC、Mo2C、VC中的一种或几种。针对本申请的金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料的制备方法，该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)粉末40% 60%铁族金属10% 15%粉末添加剂 10 % 2O %过渡族金属碳化物其余所述粉末添加剂由平均粒径为20微米 70微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成，所述金属镀层选自Co、Ni中的至少一种；按照上述组份及配比，将所述Ti (C，N)粉末、铁族金属、粉末添加剂以及过渡族金属碳化物进行混合，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)烧结采用放电等离子技术对上述压坯进行烧结，烧结时在30分钟 40分钟内将压坯加热至1100°c 1250°C并保温2分钟 10分钟，烧结压力为20Mpa 40Mpa，冷却后即得到所述金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料。基于已陈述的理由，所述金属镀层的重量最好占每单位粉末添加剂重量的5% 10%。通常情况下，所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的一种或几种。通常情况下，所述过渡族金属碳化物选自WC、TaC、NbC、Mo2C、VC中的一种或几种。本申请以下将提供用于制备金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料的粉末添加齐U，以及该粉末添加剂的制备方法。·
为此，该粉末添加剂由平均粒径为20微米 70微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成，所述金属镀层选自Co、Ni中的至少一种。其中，所述金属镀层的重量最好占每单位粉末添加剂重量的5% 10%。上述粉末添加剂的制备方法，其包括的步骤为将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CoSO4和NiSO4的混合溶液中，或将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CoSO4溶液或NiSO4溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Co和/或Ni在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成且平均粒径为20微米 70微米的颗粒物。其中，Co和/或Ni的引入量最好按制备得到的颗粒物中金属镀层的重量占每单位颗粒物重量的5% 10%来计算。与普通Ti (C，N)基金属陶瓷相比，本申请的金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料具有以下优点I、采用由Co和/或Ni包覆金刚石粒芯构成的颗粒物作为粉末添加剂制造的金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料，其硬度、断裂韧性和耐磨性均优于现有Ti (C，N)基金属陶瓷。2、本申请金属陶瓷复合材料烧结过程中，金属镀层与过渡族金属碳化物进行反应，有效阻止了金刚石与过渡族金属碳化物界面的形成，增强了材料基体对金刚石的把持力和防止金刚石的热损伤，在提高材料硬度的同时增强了高速切削过程中材料的耐磨性。3、采用本申请的放电等离子烧结条件，可以有效降低烧结温度和大大减少烧结时间，减少金刚石颗粒在高温烧结过程中的石墨化转变，增强金刚石的稳定性，提高金属陶瓷复合材料的硬度、强韧性及耐磨性。
图I为构成本申请粉末添加剂的颗粒物的微观结构示意图。
具体实施例方式<试验例>
制造金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料，然后对这些金属陶瓷复合材料的硬度、断裂韧性和耐磨性能进行检测。注意为了对比金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料与传统Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料的性能，部分试验例未加入金刚石。试验的基本步骤为I)制备由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成的颗粒物将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CoSO4和NiSO4的混合溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Co和Ni在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯2及包覆于金刚石粒芯2表面的金属镀层I构成且平均粒径为20微米 70微米的颗粒物(如图I所示)。 其中，制备颗粒物的具体操作如下A.将金刚石粒芯置于O. 05mol/L的SnCl2溶液中浸泡5分钟，然后O. 05mol/L置于PdCl2溶液中浸泡4分钟，得到作为化学镀镍、钴的催化活性中心一 Pd，Pd吸附于金刚石表面。B.将通过上述处理后的金刚石粒芯均匀分散在O. 2mol/L的CoSO4和NiSO4的混合溶液中以得到混合浆料。C.将所述混合浆料加热至70°C 90°C，加入O. lmol/L次磷酸钠，反应10分钟 30分钟，在金刚石表面进行Co、Ni化学镀处理制得颗粒物，该颗粒物即由金刚石粒芯及Co、Ni的金属镀层构成。2)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(4 6) :1，20 40转/分钟的速度，进行80小时 100小时的球磨混合，制备得到粉末混合物。3)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。4)烧结将上述压坯采用放电等离子技术进行烧结，烧结时在35分钟左右将压坯加热至1100°C 1250°C并保温2分钟 10分钟，烧结压力为20Mpa 40Mpa，冷却后即得到金属陶瓷复合材料。[表 I]由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成的颗粒物的制备条件表I
权利要求
1.金刚石一Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料，由以下方法制备得到，其包括的步骤为 O制备粉末混合物 原料的组份及配比(重量百分比) Ti (C，N)粉末40% 60% 铁族金属10% 15% 粉末添加剂 10% 20% 过渡族金属碳化物其余 所述粉末添加剂由平均粒径为20微米 70微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成，所述金属镀层选自Co、Ni中的至少一种； 按照上述组份及配比，将所述Ti (C，N)粉末、铁族金属、粉末添加剂以及过渡族金属碳化物进行混合，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 采用放电等离子技术对上述压坯进行烧结，烧结时在30分钟 40分钟内将压坯加热至1100°C 1250°C并保温2分钟 10分钟，烧结压力为20Mpa 40Mpa，冷却后即得到所述金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料。
2.如权利要求I所述的金刚石一Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料，其特征在于所述金属镀层的重量占每单位颗粒物重量的5% 10%。
3.如权利要求I或2所述的金刚石一Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于所述铁族金属选自Co、Ni、Fe中的一种或几种。
4.如权利要求I或2所述的金刚石一Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于所述过渡族金属碳化物选自WC、TaC、NbC、Mo2C、VC中的一种或几种。
5.金刚石一Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料的制备方法，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)粉末40% 60% 铁族金属10% 15% 粉末添加剂 10% 20% 过渡族金属碳化物其余 所述粉末添加剂由平均粒径为20微米 70微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成，所述金属镀层选自Co、Ni中的至少一种； 按照上述组份及配比，将所述Ti (C，N)粉末、铁族金属、粉末添加剂以及过渡族金属碳化物进行混合，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)烧结采用放电等离子技术对上述压坯进行烧结，烧结时在30分钟 40分钟内将压坯加热至1100°C 1250°C并保温2分钟 10分钟，烧结压力为20Mpa 40Mpa，冷却后即得到所述金刚石一 Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料。
6.如权利要求I所述的金刚石一Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于所述金属镀层的重量占每单位颗粒物重量的5% 10%。
7.用于制备金刚石一Ti (C，N)基金属陶瓷复合材料的粉末添加剂，其特征在于所述粉末添加剂由平均粒径为20微米 70微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成，所述金属镀层选自Co、Ni中的至少一种。
8.如权利要求7所述的粉末添加剂，其特征在于所述金属镀层的重量占每单位粉末添加剂重量的5% 10%。
9.如权利要求7所述的粉末添加剂的制备方法，包括的步骤为将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CoSO4和NiSO4的混合溶液中，或将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CoSO4溶液或NiSO4溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Co和/或Ni在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成且平均粒径为20微米 70微米的颗粒物。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于Co和/或Ni的引入量按制备得到的颗粒物中金属镀层的重量占每单位颗粒物重量的5% 10%来计算。
全文摘要
本发明公开了一种在提高硬度的同时可保证耐磨性的金刚石－Ti(C，N)基金属陶瓷复合材料及制备方法。本发明的金刚石－Ti(C，N)基金属陶瓷复合材料由以下方法制备得到，其包括的步骤为1)制备粉末混合物，其原料中的粉末添加剂由平均粒径为20微米～70微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成，所述金属镀层选自Co、Ni中的至少一种；2)成型，即通过压力成型将上述粉末混合物制成压坯；3)烧结，具体采用放电等离子技术对上述压坯进行烧结，烧结时在30分钟～40分钟内将压坯加热至1100℃～1250℃并保温2分钟～10分钟，烧结压力为20Mpa～40Mpa，冷却后即得到所述金刚石－Ti(C，N)基金属陶瓷复合材料。
文档编号C22C29/04GK102943194SQ20121044827
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