[发明专利]一种碳氮化钛基金属陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种碳氮化钛基金属陶瓷及其制备方法和应用，所述碳氮化钛基金属陶瓷包括第一陶瓷相、第二陶瓷相、金属相以及高热导率界面层；其中第一陶瓷相为碳氮化钛；第二陶瓷相为第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族元素的碳化物；金属相为钴和/或镍；高热导率界面层为含硅化合物在金属相、第一陶瓷相和第二陶瓷相之间原位生成的连续网络状结构。本发明通过在原料中引入含硅化合物，重构传统碳氮化钛基金属陶瓷复合材料的微观组织，大幅提升其热导率，进而提高材料使用寿命。

技术领域

本发明涉及金属陶瓷复合材料制造领域，具体涉及一种碳氮化钛基金属陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

碳氮化钛基金属陶瓷作为一类钛系硬质合金，因其较钨钴硬质合金具有更高的红硬性，更好的抗氧化性和更强的耐磨性，被用于制造切削工具、耐磨零件的烧结体。并且因其优异的表面加工质量，常被应用于半精加工和精加工中。然而，在加工过程中，刀具和工件接触面产生大量切削热，热量聚集致使刀具产生热裂纹或软化，导致加工精度下降，进而刀具失效。切削产生的热量80％由刀具传导至刀杆，其余由切屑和冷却液带走。当以钨钴硬质合金为切削材料时，由于钨钴硬质合金的热导率为110W/m·K，所以热量可以迅速导出刀具内部，而碳氮化钛基金属陶瓷的热导率仅为42.3W/m·K，因此以碳氮化钛基金属陶瓷为切削材料的切削热难以迅速传递导出，使碳氮化钛基金属陶瓷刀具的切削热容易局部集中在刀尖处，从而限制碳氮化钛基金属陶瓷刀具的使用寿命。

碳氮化钛基金属陶瓷内部主要由硬质陶瓷相和铁族金属(钴、镍)相构成。碳氮化钛的热导率为29W/m·K，钴、镍的热导率为69～91W/m·K，由其构成的复合材料的热导率远低于钨钴硬质合金。因此，现有技术中常常选择在碳氮化钛基金属陶瓷内引入高热导率物质以提高其热导率，常用的高热导率物质有碳化钨、氮化铝、氮化硅等，然而高热导率物质在碳氮化钛基金属陶瓷中的分布状态是弥散的、不连续的，不但无法有效提升复合材料的热导率，反而容易劣化碳氮化钛基金属陶瓷的力学性能和加工能力。如何优化高热导率物质在碳氮化钛基金属陶瓷内部的分布形式，在保证碳氮化钛基金属陶瓷的力学性能和加工能力的前提下有效提升材料热导率成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳氮化钛基金属陶瓷及其制备方法和应用。通过在原料中引入含硅化合物，重构传统碳氮化钛基金属陶瓷复合材料的微观组织，大幅提升其热导率，进而提高刀具使用寿命。

本发明提供一种碳氮化钛基金属陶瓷，包括第一陶瓷相、第二陶瓷相、金属相以及高热导率界面层；

其中第一陶瓷相为碳氮化钛；第二陶瓷相为第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族元素的碳化物；金属相为钴和/或镍；高热导率界面层为含硅化合物在金属相、第一陶瓷相和第二陶瓷相之间原位生成的连续网络状结构。

进一步地，所述高热导率界面层厚度为10nm～100nm，成分为Me-硅-钴和/或镍-氮元素构成的元素富集物，其中Me为钛或第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族元素。

进一步地，高热导率界面层均匀分布在碳氮化钛基金属陶瓷材料内部，界面层网络的平均自由程为0.6μm～3μm。

界面层厚度低于10nm的界面层无法保持强共价键结构，导致热导率无法有效提升；高于100nm的界面层会失去纳米特性，嬗变为一般晶界夹杂相，导致复合材料性能降低。

由于界面层为网络状，所以根据第一陶瓷相和第二陶瓷相的平均统计粒径代之界面层的平均自由程，当其小于0.6μm时，声子散射过于强烈，强共价键界面层无法抵消声子散射带来的负面效果；当其大于3μm时，复合材料的热导率提升，但力学性能下降严重。

为实现平均自由程的限定，需要满足以下条件(1)控制原料粉体平均粒径为0.6μm～5μm；(2)控制球磨介质质量/原料质量，球磨时间以及球磨浆料的温度，在充分球磨的前提下，不过度延长球磨时间产生超细颗粒；(3)控制烧结过程的升温速率和保温时间，限制晶粒异常长大。