[发明专利]表面细晶功能梯度无钴钛基金属陶瓷的制备方法

说明书

本发明涉及表面细晶功能梯度无钴钛基金属陶瓷的制备方法，首先表面纯化：采用双层辉光等离子放电技术对纳米TiO₂粉料进行表面纯化处理；然后超声分散：将处理后的TiO₂与片状纳米石墨粉一起加入到无水乙醇中进行超声震动分散处理；再配制混合料：获得的分散液中继续加入微米级的WO₃、MoO₃、TaC、NbC、Ni粉料以及成型剂和分散剂后通过机械搅拌配制成混合料；最后混合料经球磨混料、干燥制粒和压制成型工序，在一完整的烧结工序中得到具有表面超细晶功能梯度层的无钴钛基金属陶瓷。烧结过程中合理运用次气氛烧结，使得最终烧结出的无钴钛金属陶瓷表面一定区域深度内的硬质相较于内部区域体积分数更大，且晶粒更细。

技术领域

本发明涉及一种基于原位碳热还原-氮化法制备表面细晶功能梯度无钴钛基金属陶瓷的制备方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷(又名“钛基金属陶瓷”)不仅具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数，而且还有一定的韧性和强度。椐日本超硬工具协会统计，所有的硬质工具材料中，Ti(C,N)基金属陶瓷增长得最快，到90年代初Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料占所有刀具材料市场份额就达到了30％，显示了其作为传统的WC-Co合金的替代材料的巨大潜力。虽然金属陶瓷相比于硬质合金具有许多优点，但是目前我国企业所生产的金属陶瓷材料的强韧性仍与国外存在不小差距，特别是性能稳定性较差，至今没有得到大范围的应用，材料理论上的优越性并没有充分展现出来，限制了其使用范围。

制备高性能均质金属陶瓷一直是材料工作者研究的重点，尤其是近年来，开发超细金属陶瓷的研究取得了令人瞩目的成绩，但是Ti(C,N)基金属陶瓷仍然存在着与传统硬质合金一直存在的问题：硬度与韧性之间的矛盾，即硬度越高韧性越差，反之亦然。因此，要进一步提高金属陶瓷的性能，研制出成分和结构呈变化分布，表面富含高耐磨的硬质层，而内部富含高强韧金属粘结相的非均质金属陶瓷材料是一条非常有效的途径。

目前通采用物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)的方法在已烧结和磨削后的基体表面再涂覆一层高硬度涂层来解决上述矛盾。但是这样所得材料的表面层与基体之间在成分和微观结构方面都存在着明显的界面，进行高速切削时，表面硬化层容易剥落，造成崩刀，一旦这样，刀具就完全失效，寿命和利用率就大打折扣。

针对这种情况，材料研究者提出了功能梯度的概念，即材料内、外表面的成分和结构呈连续梯度变化，不存在明显界面，在使用过程中不容易产生应力集中和剥落，从而获得更好的使用效果。虽然近年来在硬质材料领域也出现了一些有关梯度结构方面的研究成果，但是大部分都是针对WC-Co硬质合金，关于功能梯度钛基金属陶瓷的研究相对较少。因此，有必对此项技术进行进一步的研究，制备出性能优异的功能梯度钛基金属陶瓷，以推动这种材料的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种原位碳热还原-氮化法制备表面超细晶功能梯度无钴钛基金属陶瓷的方法，使材料基体保持良好强韧性的前提下，表面硬度得到大幅提高，解决金属陶瓷断裂韧性和硬度难以同时提高的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

表面细晶功能梯度无钴钛基金属陶瓷的制备方法，特点是：包含以下步骤：

(1)表面纯化：采用双层辉光等离子放电技术对纳米TiO₂粉料进行表面纯化处理，其中TiO₂粉的尺寸为100～200nm；

(2)超声分散：将步骤(1)处理后的TiO₂与片状纳米石墨粉一起加入到无水乙醇中进行超声震动分散处理，纳米石墨粉的尺寸为50～100nm；