[发明专利]一种高强韧高耐磨TiN钢结硬质合金的制备方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种高强韧高耐磨TiN钢结硬质合金的制备方法，特别是用反应烧结法制取高强韧高耐磨TiN钢结硬质合金技术领域。

发明背景

钢结硬质合金（以下简称为钢结合金）是以钢为基体，碳化钨、碳化钛等为硬质相采用粉末冶金方法生产的介于硬质合金和合金工具钢、模具钢及高速钢之间的高寿命模具材料和工程材料。钢结合金钢基体粘结相与硬质相的配比范围相当广泛，这就决定了其具备如下优异性能：1）广泛的工艺性能，主要是可锻造性能和可切削加工性能以及可热处理性和可焊接性。2）良好的物理机械性能，主要表现在与高钴硬质合金相当的耐磨性；与钢相比较高的刚性、弹性模量、抗弯强度和抗压强度；与硬质合金相比较高的韧性；以及良好的自润滑性和高的阻尼特性等。3）优异的化学稳定性，如耐高温、抗氧化、抗各种介质腐蚀等。由于钢结合金的上述优异的综合性能，使得它在工模具材料、耐磨零件、耐高温和耐腐蚀构件材料等方面愈来愈占据重要的地位，且在金属加工、五金电子、汽车、机械、冶金、化工、船舶、航空航天以及核工业等领域得到广泛应用并得到良好效果。如与合金工具钢、模具钢及高速钢相比，钢结合金可使模具寿命数以十倍地大幅度提高，经济效益也极为显著。

近年来，为获得钢结硬质合金的一些特殊组织与性能，并缓解由于传统硬质合金材料主要资源W、Co日益匮乏等问题，国内外对钢结硬质合金开展了更加广泛与深入的研究，特别是对添加不同新型硬质相的研究(如添加A1203，TiN，NbC，TiCN，TiB2，Mo2FeB2，Mo2C，Cr3C2，VC，NV等)。近年来，一些新型的硬质相钢结合金不断涌现。

TiB2具有耐高温性好，密度和电阻率小，传导性好，且金属粘着性低及摩擦因数低，抗氧化性强等特点，被认为是一种理想的钢结合金硬质相。因Fe与TiB2之间的固溶度低，润湿性好，而Mo还可改善其润湿性，故综合TiB2与Fe、Mo的优点，制各了TiB．FeMo复合材料。

日本某公司开发出一种不含有W、Co而是含Cr的M02FeB2型硼化物基复合材料KMH。此类多元硼化物基合金是采用水雾化法制备的Fe-Cr-B合金粉末、硼化物粉末和Fe、Cr、Mo、Ni等金属粉末作原料，经湿磨混合、压制成形和真空烧结的方法制造。

除了上述新型钢结硬质合金外，日本一些公司还利用各种不同的硬质化合物(如TiC、VC、Cr3C2、SiC、ZrC、AlN等)及其混合化合物作硬质相，以各种钢或铁基合金作粘结剂，研制出一些新型复合材料。

同时，人们也在不断寻求新的硬质相和新的粘结相的结合，以便开发出具有最佳组织和性能的MC型颗粒增强复合材料。在钢结合金中，用作抗磨相的硬质颗粒碳化物种类比较多，有WC、TiC、Cr7C3、NbC、VC、SiC等陶瓷颗粒以及合金碳化物和渗碳体。MC型碳化物的热力学稳定性由高到低的排列顺序是：TiC＞NbC＞VC＞WC，其硬度的排列顺序是：TiC＞VC＞WC＞NbC。我们知道，TiC与Fe相溶性差。烧结温度高，强度比WC差，其优点是质轻，热稳定性、摩擦性好；WC高温与Fe相溶性不好，高温时容易溶解于Fe中，高温热稳定性、热强度差，在冷却过程中析出从而形成桥接，恶化合金的机械性能；作为强碳化物形成元素V元素，与Ti元素类似，V也是一种非常活泼的合金元素，与C、N等元素有很强的亲和力。V元素与C的亲和力大于Cr元素与C的亲和力，容易形成VC和V2C两种稳定碳化物。在碳化物陶瓷中，VC的硬度最高，并且有很好的热稳定性，是一种理想的硬质增强相。

Ti基硬质合金是指TiC或Ti(C,N)为基体的硬质合金。与WC基硬质合金相比，Ti基硬质合金的硬度较高，密度小，耐高温、耐磨损、耐腐蚀性较强，并且具有非常好抗粘结、抗扩散磨损的能力。 Ti基硬质合金按组成和性能可分为:（1）TiC基合金；（2）Ti(C,N)基合金。由于TiC基合金韧性很低，一直没有获得太多的关注。直到20世纪70年代，Kieffer等人发现添加TiN到TiC-Mo-Ni系硬质合金中，硬质相晶粒得到显著细化，硬质合金的室温和高温力学性能也明显得到改善，而且添加适量的TiN，可提高TiC钢结硬质合金的成核浓度，细化晶粒促进晶粒大小均匀化，添加TiN后还可大幅度地提高硬质合金的高温耐腐蚀和抗氧化性能，同时提高材料的硬度和抗弯强度。另外，TiN的加入产生界面效应减弱了晶界的作用，抑制断裂过程中的位错运动，对断裂点起到钉扎作用也会提高强度。因此，Ti(C,N)基硬质合金引起研究者们的极大兴趣。TiN作为硬质相自由能小抗氧化能力强，它与钢基体之间摩擦作用小，其粘结相的润湿性优于TiC，抗粘着能力比TiC的更强，自由能较小，抗氧化温度范围大。