一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法

一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法
【专利摘要】本发明公开了一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，本方法所述金属陶瓷为Ti(C，N)基金属陶瓷，以Ti(C，N)和/或TiC，TiN为主要硬质相，以Co和/或Ni等铁族金属为粘结相。本发明方法是将金属陶瓷烧结体装入真空一体炉中，在真空烧结状态下，以3～7℃/min的升温速度升至预置的渗氮温度，所述预置的渗氮温度为1200～1400℃；当炉体温度达到预置的渗氮温度时，采用氮气分压烧结工艺进行渗氮，控制分压压力为2000～6000Pa，保温2～6h后，在氮气气氛下冷却，获得表面富氮功能梯度金属陶瓷。本发明方法具有投资小，生产成本低，效率高的特点，易于实现工业化转化。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属陶瓷的制备【技术领域】，特别是涉及一种低压渗氮法制备富氮功能 梯度金属陶瓷的方法。 一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法

【背景技术】
[0002] Ti(C，N)基金属陶瓷具有较高的硬度，耐磨性，红硬性，同时具备优异的高温性能 和化学稳定性。作为刀具基材，金属陶瓷因其良好的加工性能被广泛应用于钢类等材料的 精加工，对比传统硬质合金刀具，其较高的硬度及化学稳定性使其能够实现高速加工，提高 加工效率，且被加工工件具有良好的表面光洁度。但是，值得指出得是，金属陶瓷相对较低 的断裂韧性极大地限制了它的应用。
[0003] 涂层技术无疑是一种提高金属陶瓷使用性能的较好手段。但由于刀具基体和涂层 热膨胀系数的差异，使得涂层在冷却过程中容易出现裂纹并使裂纹扩展到基体中，从而影 响刀具使用寿命。再加上涂层需增加涂层炉及相应前后处理设备，也增长了刀具的生产流 程，提高了生产成本。
[0004] 为避免涂层带来的缺陷，一种表面具有富氮梯度层的金属陶瓷组织被开发出来， 由于富氮梯度是在基体组织上生成，组成成分由表及里呈梯度变化，没有明显界面，不存在 界面结合强度和涂层剥落的问题，这样的合金表现出了优良的使用性能。
[0005] 但，目前为止，文献报道的用于制备表面富氮功能梯度金属陶瓷的方法均为高温 高压渗氮法，且渗氮时间长l〇h)，以低压炉或热等静压炉作为渗氮设备，设备投资大， 存在一定的安全隐患，生产效率低，抑制了表面富氮功能梯度金属陶瓷材料的工业应用。
[0006] 专利CN1603280A提出了一种高温高压短时间的方法制备表面硬化的功能梯度金 属陶瓷，虽然将渗氮时间缩短至了 1?2h，但是其渗氮压力高达90?130MPa，必须采用热 等静压炉，不仅增加了设备成本，且带来了高压操作风险。而专利CN1772701A中则提出可 在O.OSMPa的较低渗氮压力下实现梯度金属陶瓷的制备，但根据其专利说明书，渗氮时间 长达24h，生产效率低。另外，也有专利提出，可以通过分层填铺的方法实现梯度金属陶瓷的 制备（CN101838766A)，但其制备过程首先需要分别制备各种组成成分的混合料，其次在压 制过程中需要对混合料进行精细分层填铺，致使制备过程工艺繁琐，难以应用于批量生产。


【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种低压渗氮法制备富氮功能梯度 金属陶瓷的方法，是在真空一体炉中，采用低压渗氮工艺，在控制适当的渗氮温度下，可在 相对较短渗氮时间内，实现表面富氮梯度金属陶瓷的制备，本发明方法具有设备投资小，生 产成本低的特点，易于实现表面富氮功能梯度金属陶瓷材料的工业化生产。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低压渗氮法制备富氮功能梯度 金属陶瓷的方法，是将金属陶瓷烧结体装入真空一体炉中，在真空烧结状态下，以3?7°C / min的升温速度升至预置的渗氮温度；当炉体温度达到预置的渗氮温度时，采用氮气分压 烧结工艺进行渗氮，控制分压压力为2000?6000Pa，保温2?6h后，在氮气气氛下冷却，获 得表面富氮功能梯度金属陶瓷。
[0009] 所述预置的渗氮温度为1200?1400°C。
[0010] 进一步的，是在真空烧结状态下，以5°C /min的升温速度升至预置的渗氮温度。
[0011] 所述制备的富氮功能梯度金属陶瓷，具有由表及里的成分梯度，表面富N，贫Co和 /或Ni等粘结相，同时合金抗弯强度达2200?2500MPa，表面梯度层厚度为5?15 μ m。
[0012] 本发明的一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，金属陶瓷为Ti(C， N)基金属陶瓷，以Ti (C，N)和/或TiC，TiN为主要硬质相，以Co和/或Ni等铁族金属为 粘结相，同时含有一定量其它二类碳化物（含WC，NbC，TaC，M 〇2C，Cr3C2, VC等一种或多种）。 本发明方法首先经配料-湿磨混料-压制成型-脱脂-真空（或分压）烧结获得金属陶瓷 致密烧结体，然后再将所获得烧结体置于氮气气氛中进行低压氮化处理，从而获得表面富 氮功能梯度金属陶瓷材料。
[0013] 与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
[0014] 目前国际上应用于制备表面富氮梯度金属陶瓷的方法均为高压高温渗氮法，且所 用设备均为低压炉或热等静压炉，设备成本高，生产时间长，无法应用于工业化生产；本发 明在对金属陶瓷性质研究的基础上，创造性提出了低压渗氮法，利用真空一体炉，在氮气分 压烧结条件下（分压压力设置为2000?6000Pa)，保持适当的渗氮温度（一般为1200? 1400°C )和时间（2?6h)，可以实现表面富氮梯度金属陶瓷合金的制备，本发明方法具有投 资小，生产成本低，效率高的特点，易于实现工业化转化。
[0015] 采用本发明方法制备的梯度金属陶瓷，表面梯度层厚度可达5?15 μ m，且可实现 梯度层厚度的可控调节；与基体相比，表面梯度层拥有相对较高的硬度。值得指出的是，上 述梯度处理工艺，对材料表面光洁度影响不大，因此本工艺方法可直接用于对精品金属陶 瓷刀片的处理，获得的梯度金属陶瓷刀片无需任何后处理，可直接使用。
[0016] 以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种低压渗氮法 制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法不局限于实施例。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 图1是渗氮后金属陶瓷表层组织结构的照片；
[0018] 图2是渗氮前金属陶瓷表层组织结构的照片；
[0019] 图3是梯度金属陶瓷的ΕΡΜΑ分析图。

【具体实施方式】
[0020] 实施例
[0021] 本发明的一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，是将金属陶瓷烧结 体装入真空一体炉中，在真空烧结状态下，以一定的升温速度升至预置的渗氮温度；当炉体 温度达到预置的渗氮温度时，采用氮气分压烧结工艺进行渗氮，通过控制分压压力和保温 时间，然后，在氮气气氛下冷却，获得表面富氮功能梯度金属陶瓷。
[0022] 所述制备的富氮功能梯度金属陶瓷，具有由表及里的成分梯度，表面富Ν，贫Co和 /或Ni等粘结相，合金抗弯强度达2200?2500MPa，表面梯度层厚度为5?15 μ m。
[0023] 本发明的一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，金属陶瓷为Ti(C， N)基金属陶瓷，以Ti (C，N)和/或TiC，TiN为主要硬质相，以Co和/或Ni等铁族金属为 粘结相，同时含有一定量的其它二类碳化物（含WC，NbC，TaC，M 〇2C，Cr3C2, VC等一种或多 种）。本发明方法首先经配料-湿磨混料-压制成型-脱脂-真空（或分压）烧结获得金 属陶瓷致密烧结体，然后再将所获得烧结体置于氮气气氛中进行低压氮化处理，从而获得 表面富氮功能梯度金属陶瓷材料。
[0024] 表1是本发明所用的两种金属陶瓷的成分配方，单位为wt%。
[0025] 表 1
[0026]

【权利要求】
1. 一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，其特征在于：是将金属陶瓷烧 结体装入真空一体炉中，在真空烧结状态下，以3?7°C /min的升温速度升至预置的渗氮温 度；当炉体温度达到预置的渗氮温度时，采用氮气分压烧结工艺进行渗氮，控制分压压力为 2000?6000Pa，保温2?6h后，在氮气气氛下冷却，获得表面富氮功能梯度金属陶瓷。
2. 根据权利要求1所述的低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，其特征在 于：所述预置的渗氮温度为1200?1400°C。
3. 根据权利要求1或2所述的低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，其特征 在于：进一步的，是在真空烧结状态下，以5°C /min的升温速度升至预置的渗氮温度。
4. 根据权利要求1或2所述的低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，其特征 在于：所述制备的富氮功能梯度金属陶瓷，具有由表及里的成分梯度，表面富N，贫Co和/ 或Ni粘结相，合金抗弯强度达2200?2500MPa，表面梯度层厚度为5?15 μ m。
5. 根据权利要求3所述的低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法，其特征在 于：所述制备的富氮功能梯度金属陶瓷，具有由表及里的成分梯度，表面富N，贫Co和/或 Ni粘结相，合金抗弯强度达2200?2500MPa，表面梯度层厚度为5?15 μ m。
【文档编号】C23C8/24GK104060143SQ201410171310
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】马丽丽, 鲁攀, 颜延芳, 李兰, 谢海唯, 肖满斗, 吴冲浒, 文晓 申请人:厦门钨业股份有限公司