一种梯度硬质合金/金属陶瓷的快速制备方法与流程

本发明涉及一种快速制备高可靠性梯度硬质合金/金属陶瓷的方法，尤其涉及一种基于微波-微波等离子混合体加热的梯度硬质合金/金属陶瓷的快速制备方法。

背景技术：
切削加工的发展，特别是高速切削加工的发展，刀具所处的环境更复杂，对切削刀具的强韧性和耐磨性提出了更高的要求。上世纪90年代中期，Nomura等(K.Tsuda,A.Ikegaya,K.Isobeetal.Developmentoffunctionallygradedsinteredhardmaterials[J],PowderMetallurgy,1996,39(4):296-300)采用原位扩散工艺制备了表面富立方相(TiCN、TiN)的梯度结构硬质合金，既保持了硬质合金的强度，又使表面拥有立方相的耐磨性，其切削性能与TiC/TiCN/TiN/A12O3多层复合涂层基本相当。表面富立方相的梯度结构硬质合金的提出，使材料具有强度韧性较高芯部和耐磨性较高的表面，很好地解决了现代切削技术的发展对刀具高强度和高耐磨性的要求。Lengauer等(ChenLimin,WalterLengauer,KlausDreyer.Advancesinmodernnitrogen-containinghardmetalsandcermets[J],InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2000,6(13):343-351；K.Dreyer,D.Kassel,H.-W.Daubetal.Functionallygradedhardmetalsandcermets:preparation,performanceandproductionscaleup[C],2001,15thInternationalPlanseeSeminar,768-783.)对原位扩散制备表面富立方相的功能梯度硬质材料的相形成、冶金反应、液相形成温度、脱气温度和微观结构等进行了较系统的研究，并评价了其切削性能。中国专利CN102134660A公开了一种表面富立方相的功能梯度硬质合金及其制备方法，其制备过程也是基于原位扩散的方法。此类通过原位扩散方法制备表面富立方相的梯度结构硬质合金/金属陶瓷，其制备效率和表面层厚度受加热过程中N扩散速率影响。上述文献中用于制备表面富立方相的功能梯度硬质合金的制备方法，采用的加热手段，均是常规氮气气氛烧结，其利用石墨等加热体发热，通过辐射、对流、传导等方式使得材料由表及里地升温，同时在合适的温度、时间通入一定压力的氮气，这种加热方式存在升温和保温时间较长，形成梯度结构所需的时间也较长，制备周期相对也较长，能源消耗较高等缺陷。

技术实现要素：
针对上述情况，本发明的目的是提供一种基于微波-微波等离子混合体加热的梯度硬质合金/金属陶瓷的快速制备方法，它既能实现对坯料的快速加热，又易于控制晶粒生长；且工艺简便可靠，操作容易，生产效率高，生产周期短，资本投入少，经济实惠，高效节能，安全卫生，清洁低耗，无环境污染，便于普及推广。为了实现上述目的，一种梯度硬质合金/金属陶瓷的快速制备方法，它包括以下步骤：(Ⅰ)、配料，选用WC、TiCN、TiC、TaC/NbC、Mo2C、VC、Cr2C3、Co和Ni中的数种或全部作原料待用，各原料的质量百分比如下：WC10％～89％，TiCN5％～51％，TiC0～30％，Mo2C0～15％，VC0～2％，Cr2C30～2％，TaC/NbC0～10％，Co4％～15％，Ni0～8％；(Ⅱ)、原料混合，按质量百分比取上述数种或全部原料进行均匀混合，待用；(Ⅲ)、待用原料装罐、预设研磨参数；(Ⅳ)、混合物料过筛；(Ⅴ)、成坯；(Ⅵ)、烧结。为了实现上述目的，其进一步的措施是：步骤(Ⅲ)的原料研磨选用的球磨机为QM-1SP4型球磨机；步骤(Ⅲ)的原料研磨选用的球径为Φ5硬质合金球，球料比为5～10：1；步骤(Ⅲ)的原料研磨选用的球磨转速为250～300rpm，球磨时间为60～150小时；步骤(Ⅳ)的混合物料过筛是选用筛孔为200目的滤筛；步骤(Ⅴ)的成坯制作是，过筛后的混合物料直接装入模具中，300～350MPa压力下制成坯料；步骤(Ⅵ)的烧结是：①将模压成型的坯料装入MW-L0316HV高真空微波炉内；②微波介质为2.45GHz频率；③抽出炉体内真空，使真空度不高于1×10-2Pa；④启动微波源，进入微波-微波等离子体混合加热；步骤(Ⅵ)的微波加热过程是按预热、通入气体、升温、保温控温工序进行；步骤(Ⅵ)的微波加热过程是按预热6～10分钟，当温度达到450～650℃时通入0.1～8×104Pa气体，升温至1400～1500℃时进行保温控温，保温控温时间为5～30分钟；步骤(Ⅵ)的微波加热过程，通入的气体气氛为纯氮气或氮气和氢气或氮气和氩气。本发明一种梯度硬质合金/金属陶瓷的快速制备方法，它采用取定量的WC、TiCN、TiC、TaC/NbC、Mo2C、VC、Cr2C3、Co、Ni中的几种或全部元素作原料，按一定比例配成混合料，经球磨-过筛-模压制成坯料；以300MHz～8GHz频率微波介质作热源，使坯料中的氧化物吸收微波能量，并同时加入一定量的稀薄氮气在微波下电离产生微波等离子体而完成快速升温和表面氮化的过程；它克服了传统加热方式需要较长的时间升温和保温，才能形成所需的梯度结构，且制备周期长，能耗高的缺陷。本发明相比现有技术所产生的有益效果：(a)本发明结合微波和微波等离子体混合加热，使材料在短时间内迅速升温，形成致密的坯料，同时使等离子体源(氮气)参与材料的反应过程，利用Ti与N亲和力高的特征，在材料表面形成立方相(TiCN、TiN)，从而制备出梯度硬质合金/金属陶瓷材料；(b)本发明应用2.45GHz频率微波介质作热源，通过微波及气体在微波种被激发后生成的微波等离子体迅速加热坯料，达到了节能、高效的目的；(c)本发明缩短了常规电阻炉加热所需的烧结时间，且工艺简单，操作简便，加热均匀可靠，升温速度快，烧结时间短，设备投入少，生产周期短，高效节能无污染，易于实现规模生产，商业潜力大，市场前景十分可观，极具推广价值。本发明可广泛应用于具有微波吸收性能的金属、陶瓷及其混合物的氮化处理。下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。附图说明图1为本发明中实施例1的升温曲线图。图2为本发明中实施例1的表面和截面的X射线衍射图。图3为本发明中实施例1的横截面的扫描电子显微镜图。具体实施方式由附图所示，本发明一种梯度硬质合金/金属陶瓷的快速制备方法的基本原理：它采用取定量的碳化钨-WC、碳氮化钛-TiCN、碳化钛-TiC、碳化钽-TaC、碳化铌-NbC、碳化钼-Mo2C、碳化钒-VC、碳化铬-Cr2C3、钴-Co、镍-Ni中的几种或全部元素/化合物作原料，按质量比配成混合物料，经球磨-过筛-模压制成坯料，加热过程按预热、升温、保温、控温工序进行；加热时，以2.45GHz频率微波介质作热源，先进行初期微波预热加热，当加热到一定的温度时通入一定量的氮气，使其在微波下电离产生微波等离子体而使化合物本体材料迅速升温，高度电离化的氮离子碰撞和冲击化合物本体表面，以及微波所具有的促进化学反应的特征，加速氮-N与碳化钛-TiC的反应，使化合物料迅速升温的同时，形成表面富立方相的梯度硬质合金/金属陶瓷材料；同时，微波在加热过程中是一种体加热方式，化合材料的致密过程是内外同时发生；它克服了常规加热法热效率低，时间长，烧结材料不致密的缺陷，是一种极具潜力的梯度硬质合金/金属陶瓷的烧结技术。结合附图，本发明的总实施方式。一种梯度硬质合金/金属陶瓷的快速制备方法，首先选定2.45GHz频率微波介质炉作加热、烧结热源，按质量比WC10％～89％，TiCN5％～51％，TiC0～30％，Mo2C0～15％，VC0％～2％,Cr2C30％～2％,TaC/NbC0～10％,Co3％-15％,Ni0％-8％的百分总量，确定TiCN及其它添加剂的比例，再将硬质合金/金属陶瓷通过球磨充分混合，经球磨后混合物料颗粒粒径以0.5～0.6μm呈正态分布，原料按5～10：1的球料比装入QM-1SP4型球磨机不锈钢球磨罐中，选用Φ5硬质合金球，然后设球磨转速为250～300rpm，设球磨时间为60～150小时，取球磨后的混合物料过200目筛，将过筛后的混合物料放入模具中，300～350MPa压力下制成坯料；坯料入微波加热炉进行烧结，设定微波预热、加热、升温、保温过程中的各项参数，加热前期利用混合物料对微波的吸收达到生热，并同时预热6～10分钟，当温度达450～650℃时，通入0.1～8×104Pa气体，增加微波功率，产生微波等离子体，温度迅速升高至1400～1500℃，升温后进行保温控温5～30分钟，然后停止加热，让材料随炉冷却。参照附图，一种梯度金属陶瓷的快速制备方法，它以金属陶瓷为原料，采用微波-微波等离子混合体加热，并通过气氛的控制，快速制备表面富立方相的高可靠性的梯度金属陶瓷材料。以WC、TiCN、TiC、TaC/NbC、Mo2C、VC、Cr2C3、Co、Ni中的几种或全部作原料，按质量比配成混合物料，并经球磨-过筛-模压制成坯料，再经烧结制成成品，其操作步骤为：(Ⅰ)取定量的TiCN、TiC、WC、Mo2C、VC、Cr2C3、TaC/NbC、Co、Ni中的粉末，按照如下的质量比配成原料，待用；WC10％～89％，TiCN5％～51％，TiC0～30％，Mo2C0～15％，VC0％～2％，Cr2C30％～2％，TaC/NbC0～10％，Co4％～15％，Ni0％～8％；(Ⅱ)取待用原料装入QM-1SP4型球磨机不锈钢球磨罐中，选用Φ5硬质合金球，球料比为5～10：1，球磨转速为250～300rpm，球磨时间为60～150小时；(Ⅲ)取球磨后的混合物料过筛，筛孔为200目；(Ⅳ)取过筛后的混合物料放入模具中，300～350MPa压力下制成坯料；(Ⅴ)取上述经模压成型的坯料装入MW-L0316HV高真空微波炉内，微波介质为2.45GHz频率，依次开启机械泵、扩散泵，抽出炉体内真空，使真空度不高于1×10-2Pa，然后启动微波源，进入微波-微波等离子体混合加热、烧结工序；(Ⅵ)加热过程按预热、升温、保温、控温工序进行；(Ⅶ)于室温下预热6～10分钟，当温度达到450～650℃时通入0.1～8×104Pa气体，使微波炉内生成微波等离子体，升温至1400～1500℃时进行保温控温，保温控温时间为5～30分钟，然后随炉冷却制得梯度硬质合金/金属陶瓷制品。结合下表，各原料的质量百分配比组分实施方案分列于表中。实施例1(Ⅰ)取一定量的TiCN、WC、Mo2C、NbC/TaC、Co、Ni、VC、Cr2C3，按表中1栏组分配成原料，待用；(Ⅱ)取待用原料装入QM-1SP4型球磨机不锈钢球磨罐中，选用Φ5硬质合金球，设球料比10：1，球磨转速250rpm，球磨时间90小时；(Ⅲ)取球磨后的混合物料过200目筛；(Ⅳ)取过筛后的混合物料放入模具中，300MPa压力下制成坯料；(Ⅴ)取上述经模压成型的坯料装入MW-L0316HV高真空微波炉内，设微波介质2.45GHz频率，依次开启机械泵、扩散泵，抽出炉体内真空，使真空度不高于1×10-2Pa，然后启动微波源，进入微波-微波等离子体混合加热、烧结工序；(Ⅵ)于室温下预热7分钟，当温度达到500℃时通入6×104Pa氮气，使微波炉内生成微波等离子体，升温需时60分钟，升温至1430℃时进行保温控温，保温控温15分钟，然后随炉冷却制得梯度金属陶瓷成品。实施例2(Ⅰ)取一定量的WC、TiC、Co，按表中2栏组分配成原料，待用；(Ⅱ)取待用原料装入QM-1SP4型球磨机不锈钢球磨罐中，选用Φ5硬质合金球，设球料比10：1，球磨转速250rpm，球磨时间60小时；(Ⅲ)取球磨后的混合物料过200目筛；(Ⅳ)取过筛后的混合物料放入模具中，350MPa压力下制成坯料；(Ⅴ)取上述经模压成型的坯料装入MW-L0316HV高真空微波炉内，设微波介质2.45GHz频率，依次开启机械泵、扩散泵，抽出炉体内真空，使真空度不高于1×10-2Pa，然后启动微波源，进入微波-微波等离子体混合加热、烧结工序；(Ⅵ)于室温下预热7分钟，当温度达到500℃时通入8×104Pa氮气，使微波炉内生成微波等离子体，升温至1430℃时进行保温控温，保温控温30分钟，然后随炉冷却制得梯度硬质合金成品。实施例3(Ⅰ)取一定量的WC、TiC、Co，按表中3栏组分配成原料，待用；(Ⅱ)取待用原料装入QM-1SP4型球磨机不锈钢球磨罐中，选用Φ5硬质合金球，设球料比10：1，球磨转速250rpm，球磨时间60小时；(Ⅲ)取球磨后的混合物料过200目筛；(Ⅳ)取过筛后的混合物料放入模具中，350MPa压力下制成坯料；(Ⅴ)取上述经模压成型的坯料装入MW-L0316HV高真空微波炉内，设微波介质2.45GHz频率，依次开启机械泵、扩散泵，抽出炉体内真空，使真空度不高于1×10-2Pa，然后启动微波源，进入微波-微波等离子体混合加热、烧结工序；(Ⅵ)于室温下预热8分钟，当温度达到500℃时通入6×104Pa氮气，使微波炉内生成微波等离子体，升温至1430℃时进行保温控温，保温控温20分钟，然后随炉冷却制得梯度硬质合金成品。实施例4(Ⅰ)取一定量的TiCN、WC、Mo2C、NbC/TaC、Co、Ni，按表中4栏组分配成原料，待用；(Ⅱ)取待用原料装入QM-1SP4型球磨机不锈钢球磨罐中，选用Φ5硬质合金球，设球料比10：1，球磨转速250rpm，球磨时间90小时；(Ⅲ)取球磨后的混合物料过200目筛；(Ⅳ)取过筛后的混合物料放入模具中，300MPa压力下制成坯料；(Ⅴ)取上述经模压成型的坯料装入MW-L0316HV高真空微波炉内，设微波介质2.45GHz频率，依次开启机械泵、扩散泵，抽出炉体内真空，使真空度不高于1×10-2Pa，然后启动微波源，进入微波-微波等离子体混合加热、烧结工序；(Ⅵ)于室温下预热8分钟，当温度达到500℃时通入6×104Pa氮气，使微波炉内生成微波等离子体，升温至1430℃时进行保温控温，保温控温30分钟，然后随炉冷却制得梯度硬质合金成品。实施例5(Ⅰ)取一定量的WC、TiC、Co，按表中5栏组分配成原料，待用；(Ⅱ)取待用原料装入QM-1SP4型球磨机不锈钢球磨罐中，选用Φ5硬质合金球，设球料比10：1，球磨转速250rpm，球磨时间90小时；(Ⅲ)取球磨后的混合物料过200目筛；(Ⅳ)取过筛后的混合物料放入模具中，300MPa压力下制成坯料；(Ⅴ)取上述经模压成型的坯料装入MW-L0316HV高真空微波炉内，设微波介质2.45GHz频率，依次开启机械泵、扩散泵，抽出炉体内真空，使真空度不高于1×10-2Pa，然后启动微波源，进入微波-微波等离子体混合加热、烧结工序；(Ⅵ)于室温下预热8分钟，当温度达到500℃时通入8×104Pa氮气，使微波炉内生成微波等离子体，升温至1430℃时进行保温控温，保温控温15分钟，然后随炉冷却制得梯度硬质合金成品。以上仅仅是本发明的较佳实施例，根据本发明的上述构思，本领域的熟练人员还可对此作出各种修改和变换。例如，球磨参数、压坯压力的变化等。然而，类似的这种变换和修改均属于本发明的实质。