[发明专利]一种梯度结构金属陶瓷刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料，具体涉及梯度结构金属陶瓷刀具及其制备方法。

背景技术

Ti(C，N)基金属陶瓷是20世纪70年代初出现的一种新型颗粒增强型复合材料，与WC-Co基硬质合金刀具相比，Ti(C，N)基金属陶瓷刀具在700～1100℃的高温红硬性、耐磨性、抗氧化性和抗粘附性好，其切削速度、使用寿命分别提高3～10倍和2～5倍，且主要原料资源丰富，成本低，是WC-Co基硬质合金高速高效刀具的理想升级替代产品。

然而，现有Ti(C，N)基金属陶瓷，其硬度和强韧性成对立形式出现，如何使其同时具有高硬度和高强韧性是一个世界性的技术难题。目前，主要采用CVD、PVD以及PCVD等技术在具有较高强韧性的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具表面涂覆TiN、Ti(C，N)、(Ti，Al)N、(Ti，Si，Al)N等高硬度涂层来实现其同时具有高硬度和高强韧性。但在采用涂层处理时，由于涂层材质和结构与基体材料的差异，涂层与基体间的结合力是影响其涂层性能的关键因素。同时，由于采用涂层处理时涂层厚度一般小于20μm，限制了涂层刀具整体寿命的提高。其次，由于涂层处理对所需的靶材质量要求高、涂层处理工艺较复杂，导致其成本较高。

Walter Lengauer、Klaus Dreyer“Functionally graded hardmetals”，Journal of Alloys and Compounds，2002，338：194-212和晏鲜梅，熊惟皓，杨勇，郑立允“Ti(C，N)基金属陶瓷功能梯度材料的制备”，功能材料，2006，37(2)：238-241，研究了采用在氮气气氛下烧结制备出了表面富Ti和N，贫W和C的梯度Ti(C，N)基金属陶瓷。与未经氮气气氛烧结处理的相比，其强韧性和刀具的寿命明显增加。但从其报道的性能来看，其综合力学性能仍较差；其次，由于其采用在氮气气氛下烧结，对气体原料以及烧结设备的要求较高，导致了其成本较高。

发明内容

本发明提供一种梯度结构金属陶瓷刀具及其制备方法，解决现有制备方法存在的所制备金属陶瓷刀具成本较高以及综合力学性能较低的问题，以实现高硬度和高强韧性的结合，提高金属陶瓷刀具的力学性能。

本发明的一种梯度结构金属陶瓷刀具，以Ni粉末和(Ti，W，Mo，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末作为原料，经烧结制成，其特征在于：

原料中各组分重量百分比为：(Ti，W，Mo，Ta，Nb)(C，N)75～90％，Ni 10～25％；所述金属陶瓷刀具最终生成相中硬质相为(Ti，W，Mo，Ta，Nb)(C，N)、粘结相为Ni，具有以中间层为轴对称的2K+1层梯度结构，粘结相Ni的含量从表面层到中间层逐层增加，硬质相(Ti，W，Mo，Ta，Nb)(C，N)固溶体的含量从表面层到中间层逐层减少，K为大于等于2的自然数。

本发明一种梯度结构金属陶瓷刀具的制备方法，顺序包括：

一.原料配制及混合步骤：配置K+1组原料，每组原料均由Ni粉末和(Ti，W，Mo，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末构成，原料中各组分重量百分比为：(Ti，W，Mo，Ta，Nb)(C，N)75～90％，Ni 10～25％；

K+1组原料中，Ni粉末重量百分比依次递增，(Ti，W，Mo，Ta，Nb)(C，N)固溶体粉末重量百分比依次递减；

将K+1组原料分别投入到球磨罐中采用硬质合金球在行星式球磨机上进行湿磨，时间24～36小时，转速180～250rpm，形成K+1组混合原料；

二.分层填铺模压成型步骤：将K+1组混合原料分别加入3wt％～8wt％的聚乙烯醇成型剂，按照Ni粉末的重量百分比含量先从低到高的顺序，在模具中逐层填铺K+1组混合原料，再从高到低的顺序，在模具中逐层填铺K组混合原料，各层混合原料的重量相等，形成以中间层为轴对称的2K+1层梯度结构，然后模压成形构成压坯，模压压力150～300MPa；

三.脱脂步骤：对压坯采用真空烧结炉进行脱脂，真空度高于5Pa，脱脂温度200℃～400℃，保温时间4～8h；

四.真空烧结步骤：对脱脂后的压坯采用真空烧结炉进行烧结，形成金属陶瓷刀具坯体，真空度不低于1×10^-1Pa，烧结温度1450℃～1470℃，保温时间50～80min。