[发明专利]一种高弹性模量的金属陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及粉末冶金领域，特别涉及一种高弹性模量的金属陶瓷材料及其制备方法。该金属陶瓷材料组成相包括第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相和粘接相。所述第1硬质相为富W碳化物相，所述第2硬质相为W、Ti、Mo、Ta和/或Nb中两种或两种以上复合碳化物，所述第3种硬质相为富Ti的核壳结构碳化物。所述第3硬质相的芯核为富钛的碳氮化物，壳部为W、Ti、Mo、Ta和/或Nb中两种或两种以上复合碳氮化物。本发明所制备的金属陶瓷材料具有较高的弹性模量，可以解决单一富钛的碳氮化物核壳硬质相结构金属陶瓷材料弹性模量较低的问题。

技术领域

本发明涉及机械加工和粉末冶金领域，具体涉及一种高弹性模量金属陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷具有较高的红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数、可“以车代磨”，在钢件的高速精加工等领域，具有极大的优势，且由于少含钨、钴具有世界性的战略意义。近年来，随数控车床等大型自动化切削设备的推广和计算机辅助控制，少切削、绿色切削、高速切削加工工艺的需求，促进了Ti(C,N)基金属陶瓷的快速发展。但与WC-Co硬质合金相比，Ti(C,N)基金属陶瓷仍表现为韧性不足，低韧性限制了其在刀具行业的广泛应用。且国产金属陶瓷刀具的生产状况亦不容乐观，表现出来的特征是生产质量不稳定，无法与进口刀片相媲美。可见，提高金属陶瓷刀具的强韧性已成为金属陶瓷材料亟待突破的技术难点。

碳化物如WC，与Ti(C,N)的弹性模量值相差较大，是造成WC-Co硬质合金和Ti(C,N)基金属陶瓷性能差异的主要因素之一。WC较高的弹性模量值使得WC-Co合金混合料与Ti(C,N)金属陶瓷混合料相比，具有明显的高成形性。在粗加工过程中，WC-Co抗冲击性能的表现较Ti(C,N)金属陶瓷亦更加优异。要改善并提高Ti(C,N)金属陶瓷刀具材料的成形性、生产质量稳定性及其刀具产品的抗冲击性能，进一步提高其烧结体材料的弹性模量值(杨氏模量值)则是有效途径之一。金属陶瓷烧结体的抗冲击性能、压缩与剪切强度等材料物理特征及弹性模量值与材料相组成、相分布和气孔率等有着直接关系。其中金属陶瓷烧结体材料的气孔率又直接决定于原材料组成、压坯工艺及其烧结制度。因此通过调节金属陶瓷烧结体的组织组成中的硬质相比例及种类，通过硬质相各组成相体积分数和分布调节其烧结体的弹性模量值和烧结致密度，由此获得具有高弹性模量值的金属陶瓷材料，有效提高金属陶瓷材料强韧性能，进一步推动金属陶瓷的推广应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高弹性模量金属陶瓷材料及其制备方法。

本发明的方案：

一种高弹性模量的金属陶瓷材料，所述材料组成相包括第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相和粘接相，所述第1硬质相为碳化钨相，所述第2硬质相为W、Ti的复合碳化物相WTiC_x(x＝1～2)，所述第3硬质相为Ti、W、Mo、Cr、Ta和/或Nb中两种或两种以上复合碳氮化物所形成的核壳结构碳化物相Ti_1-yMe_yC_zN_1-z(Me＝W,Mo,Cr,Ta,Nb；y≤0.25；z＝0.5～1)；所述第3硬质相核壳结构的黑芯中y≤0.08，z＝0.5～0.8，灰芯或壳部中y≤0.25；z＝0.9～1；粘结相为CoCrNi合金。

优选地，所述材料的烧结体内第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相和粘接相的体积分数分别为：25～35％，25～40％，25～35％，5～8％；各相体积分数之和为100％。

优选地，所述金属陶瓷材料的弹性模量值(E)在540～600GPa区间，可通过结构组成中3种硬质相体积分数比例进行调控；且烧结体的弹性模量值与各相体积分数(V_i)之间满足混合物原则：

式中，E_i为各相的理论弹性模量值。