[发明专利]Ti(C,N)基金属陶瓷氮气气氛烧结工艺

说明书

本发明所述一种Ti(C,N)基金属陶瓷氮气气氛烧结工艺，将TiN、TiC、WC、Mo₂C、Ni等原料粉末与酒精、聚乙二醇和硬质合金磨球在行星球磨机上混合，经干燥、造粒、压制成形、脱脂后，所得脱脂压坯置于真空烧结炉烧结中，以5^oC/min升温速率从室温加热至1100‑1150^oC，以1^oC/min升温速率缓慢加热至1150‑1400^oC，以2^oC/min升温速率加热至1430‑1480^oC，在1430‑1480^oC烧结1h。当温度达到1320^oC，向烧结炉内引入氮气，实施压力范围为10⁰‑10³Pa。烧结结束，以6^oC/min的冷却速率冷却到800℃时，停止通入氮气，烧结炉内恢复真空环境。本发明通过改进氮气引入温度和降低氮气气氛压力，克服了现有技术在Ti(C,N)基金属陶瓷在力学性能提升上不能兼顾断裂韧性(K_IC)和硬度(HV30)，以及改善力学性能有限的问题，拓宽了Ti(C,N)基金属陶瓷在金属切削领域的应用范围。

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合材料，具体涉及Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法和组分。

技术背景

TiC、TiN和Ti(C,N)化合物具有非常高的硬度和耐磨性，由TiC、TiN或Ti(C,N)与金属 Ni、Co或混合物复合构成的金属陶瓷也秉承这一属性，同样具有较的高硬度和耐磨性。这 种称之为Ti(C,N)基金属陶瓷的材料已应用于金属切削刀具，但Ti(C,N)基金属陶瓷脆性大， 制约着在冲击载荷条件下的应用。为改善Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能，特别是断裂韧性， 现有技术主要运用二种技术：1)在组分上复合次要碳化物(secondary carbide)，如WC、Mo₂C、 (Ti,Me)C等，Me＝W、Mo、Ta、Nb、V等，采用真空烧结技术，改变材料显微组织中的芯 相、内环相、外环相和粘结相中元素含量和体积分数，达到材料整体改善力学性能的目的； 2)采用气氛烧结技术，在烧结时引入氮气，抑制含氮化合物分解，保持金属陶瓷中高含氮 量，达到改变金属陶瓷显微组织的目的，有利于提高断裂韧性。A.Bellosi等人(Processing and properties of Ti(C,N)–WC-Based materials.J.Am.Ceram.Soc.,2001,84[11]:2669–2676)针对 Ti(C,N)-15.3(WC-5Co)-6.2Ni-2.1Co金属陶瓷，采用1atm(101325Pa)氮气流气氛无压烧结 (PLS)工艺，所得材料的断裂韧性较真空-热压烧结(HP)工艺有所改善，断裂韧性(K_IC)由 6.8MPa·m^1/2(烧结温度1650℃)提升8.1MPa·m^1/2(烧结温度1700℃)，改善幅度为21％。周书 助等人(烧结气氛对Ti(CN)基金属陶瓷组织和性能的影响.中国有色金属学报，2005，15(9): 1350-1357)对Ti(CN)-TiC-Mo₂C-(Ti,W,Ta)C-WC-Ni-Co体系在1460℃实施8×10³Pa压力的氮 气气氛烧结，所得结果，真空烧结后组织结构比较均匀，力学性能最好。氮气气氛烧结，气 氛中的氮参加烧结反应，在材料表面形成壳层结构，产生表面缺陷，材料的密度、显微硬度 和抗弯强度均有比较大的降低。现有技术中，除引入单一氮气气氛外，还有其它气氛烧结工 艺，如使用氮气和氩气的混合气氛，氩气作为稀释气体，但对断裂韧性的改善程度有限。

综上所述，氮气烧结工艺可改变金属陶瓷的力学性能，特别是断裂韧性，但应有合理的 工艺参数及合适有成分/组分，才达到改善力学性能的效果，否则，恶化力学性能。

发明内容