一种TiCN基金属陶瓷刀具材料及其微波烧结工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属微波烧结材料科学技术领域，涉及一种TiCN基金属陶瓷刀具材料及其 微波烧结工艺。
【背景技术】
[0002] TiCN基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上发展起来的一种陶瓷刀具材料，与传 统的WC-Co硬质合金相比，它具有更高的红硬性、耐磨性、耐热性、抗月牙洼磨损能力及高 温强度，同时，其韧性又比传统的Al2O3基陶瓷刀具材料好。金属陶瓷的出现，在克服了硬质 合金刀具硬度不足的缺点下，更获得了传统陶瓷刀具难以达到的高韧性，进而填补了两者 间的空白。在切削加工方面，TiCN基金属陶瓷与金属间的摩擦系数更低，在高速切削下加 工出来的工件表面质量较一般刀具要好，因此更适合用于精镗孔、精孔加工和以车代磨等 精加工领域。
[0003]目前，国内公开的关于TiCN基金属陶瓷的专利文献多为材料成份的配比，其生 产制备方法多为真空烧结，气氛烧结或热压烧结，如CN 102632261A、CN 102191420A、CN 104264026A、CN 103834842A、CN 103521770A、CN 101302595A 等。这些烧结方法在烧结过程 中的能量传递主要是通过热对流、热传导、热辐射等形式实现的，这种能量传递的方式极容 易在材料内部产生热梯度，进而产生热应力影响刀具材料性能。文献（Xu et，al. Effect of heating rate on the mechanical properties and microstructure of Ti (C, N)-based cermets. Mater. Sci. Eng.，A 628(2015)281 - 287)介绍了一种利用热压烧结制备 TiCN 基 金属陶瓷的方案，在3°C /min的升温速度下制得了一种综合性能较高的TiCN基陶瓷刀具， 其硬度和断裂韧性分别为12. 02±0. 25GPa和10. 73±0. 40MPa ·πι1/2。这种热压烧结制得的 金属陶瓷刀具虽然具有较高的韧性，但硬度仍显不足，同时，升温时间较慢导致其烧结时间 过长，也容易使材料晶粒长大，降低材料性能。
[0004] 与传统烧结方式相比，微波烧结加热速度极快，可有效抑制晶粒长大，改善材料微 观组织结构及力学性能的效果较为明显。文献（严迪科等.超细TiCN基金属陶瓷的制备 及其微波烧结工艺研宄[J].热加工工艺，2010, 39(20) :73-75)介绍了一种利用微波烧结 技术制备TiCN基金属陶瓷的方案，在1500°C下保温30min的烧结条件下制得了晶粒细小、 微观组织结构均匀的TiCN基金属陶瓷材料，材料的最高硬度约为89. 2HRA，但其硬度对于 加工高硬材料而言同样显得不足。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种TiCN基金属陶瓷刀具材料及其微波烧结工艺。
[0006] 本发明设计的技术方案如下：一种TiCN基金属陶瓷刀具材料，该材料的组成按质 量百分比为：TiCN 55% -75%、Co 和 Ni 6% -24%、WC 8% -15%、Mo2C 或 Mo 4% -15%。
[0007] -种微波烧结上述TiCN基金属陶瓷刀具材料的方法，包括以下步骤：
[0008] (1)按比例称取Mo2C或Mo和TiCN、Co、Ni、WC，并进行球磨混合；
[0009] (2)将步骤（1)配制的混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合24-48h ;
[0010] (3)在球磨结束前2小时向混合粉料中加入聚乙烯醇水溶液造粒；
[0011] (4)将球磨后的混合料进行干燥，然后研磨；
[0012] (5)将研磨好的粉料压制成型，成型压力为250MPa_320MPa，保压时间为 lmin_3min ;
[0013] (6)在30-60kPa氮气压力氛围下，采用微波烧结工艺，以80-120°C/min的升 温速率将温度升至650°C _800°C并保温0_20min，然后以30-60°C /min的升温速率升到 1450°C -1550°C，并保温0min-20min，随后随炉冷却。
[0014] 步骤⑵中，混合粉末的粒径均< 2 μπι ;所述磨球为氧化铝磨球；混料过程中球料 质量比为7:1-9:1。
[0015] 步骤⑶中，所述聚乙烯醇水溶液质量浓度为5 %。
[0016] 步骤（6)中，所用氮气的纯度为99. 99%。
[0017] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0018] (1)本发明采用2. 45GHz频率微波加热TiCN基金属陶瓷刀具材料，实现了对刀具 材料的快速烧结，极大地提高了生产效率、降低生产成本；同时，使用氮气保护微波烧结方 案，抑制了烧结过程中TiCN的分解；
[0019] (2)本发明制得的TiCN基金属陶瓷刀具材料在保持较高硬度的基础上，材料的强 度和断裂韧度获得了极大的改善；
[0020] (3)本发明提出的一种TiCN基金属陶瓷刀具材料及其微波烧结方法易于规模生 产。
【具体实施方式】
[0021] 实施例1
[0022] 按质量百分比TiCN 69%、Co和Ni 12%、WC 15%、Mo 4%进行配料，将配制的 混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合48h并在球磨结束2小时前加入浓度为5wt%聚乙 烯醇水溶液造粒，球料质量比为8 :1 ;球磨后烘干研磨，将研磨好的粉料干压成型，压力为 250MPa，保压时间为3min ;将成型试样置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内气压抽至 真空状态，然后充入30kPa的氮气。开启微波电源进行加热，用80°C /min的升温速度将试 样加热至650°C并保温lOmin，然后以30°C /min的升温速度，加热至1550°C，在此温度下保 温lOmin，然后随炉冷却至室温。经测试得，材料的维氏硬度为15. 65GPa(HV20)，断裂韧度 为 7. 63MPa · m1/2。
[0023] 实施例2
[0024] 按质量百分比TiCN 62%、Co和Ni 15%、WC 15%、Mo2C 8%进行配料，将配制的 混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合40h并在球磨结束2小时前加入浓度为5wt%聚乙 烯醇水溶液造粒，球料质量比为8 :1 ;球磨后烘干研磨，将研磨好的粉料干压成型，压力为 300MPa，保压时间为2min ;将成型试样置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内气压抽至 真空状态，然后充入30kPa的氮气。开启微波电源进行加热，用80°C /min的升温速度将试 样加热至650°C并保温10min，然后以30°C /min的升温速度，加热至1550°C，在此温度下保 温10min，然后随炉冷却至室温。经测试得，材料的维氏硬度为15. 53GPa(HV20)，断裂韧度 为 8. 04MPa · m1/2。
[0025] 实施例3
[0026] 按质量百分比TiCN 62%、Co和Ni 15%、WC 15%、Mo 8%进行配料，将配制的 混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合36h并在球磨结束2小时前加入浓度为5wt%聚乙 烯醇水溶液造粒，球料质量比为9 :1 ;球磨后烘干研磨，将研磨好的粉料干压成型，压力为 300MPa，保压时间为2min ;将成型试样置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内气压抽至 真空状态，然后充入30kPa的氮气。开启微波电源进行加热，用100°C/min的升温速度将试 样加热至800°C并保温lOmin，然后以30°C /min的升温速度，加热至1550°C，在此温度下保 温Omin，然后随炉冷却至室温。经测试得，材料的维氏硬度为15. 06GPa (HV20)，断裂韧度为 8. 31MPa · m1/2〇
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