一种Si3N4强化的非均质的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法与流程

一种si3n4强化的非均质的ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于粉末冶金领域，涉及一种金属陶瓷刀具材料及其制备方法，尤其涉及si3n4强化的非均质的ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法。

背景技术：

2.相比现在通用的传统硬质合金刀具，金属陶瓷具有高硬度、高耐磨性、高红硬性、好的高温抗软化能力和抗氧化能力，因而在某些特定工况下金属陶瓷刀具材料占有显著优势。在工件加工过程中，切削速度越快则加工效率越高，但切削热也越多，切削刀具与工件接触的刀尖部位温度显著高于其他部位。金属陶瓷材料的物理、化学性能决定了它在高速高效加工领域具有较好的应用前景。
3.但它的某些物理性能还存在不足，比如韧性和强度低、抗崩刃性差，这导致了刀具的应用范围不够广、通用性不强，在使用过程中会发生异常破损。因此，提高金属陶瓷刀具的韧性、强度、切削稳定性一直是技术提升的方向。单纯通过提高粘结相的含量，可以提高韧性，但同时会降低刀具的硬度、抗塑性变形能力、耐磨性，最终缩短刀具寿命。因此，仅提高粘结相的含量难以达到硬度、韧性、强度等综合性能提高的效果。
4.目前，ti(c,n)基金属陶瓷主要以ti(c,n)粉或tic与tin的混合粉为硬质相主要原料，以wc、tac、nbc、mo2c、vc、cr3c2等第4族、第5族和第6族过渡族金属碳化物或它们的固溶体为第二硬质相原料，以co、ni、mo等金属为粘接相原料。
5.中国专利公开号cn 111036918a公开了一种具有强韧性和抗热疲劳能力的金属陶瓷及其制备方法，引入了(w，co)c超微固溶体粉体和nimo高畸变量固溶体粉体，提高细晶ti(c，n)金属陶瓷的相界面强度和强韧性。
6.中国专利公开号cn 112853187a公开了一种具有均质环芯结构的ti(c,n)基金属陶瓷及其制备方法，引入了纳米(ti1–y,wy)c非饱和固溶体。通过工艺控制，提高微观组织结构的均质性，实现硬质相的弱芯环结构，有助于合金强韧性的改善。
7.中国专利公开号cn 110396632a公开了一种ticn基金属陶瓷及其制备方法，该种金属陶瓷硬质相组织结构为环芯结构，所述环芯结构由黑芯相，包覆黑芯相的内环相，以及包覆内环相的外环相组成；其中黑芯相的成份为ti(c,n)，内环相与外环相的成份为(ti,m)(c,n)固溶体，其中m为w、mo、ta、nb、cr、v、zr中的至少一种，且包含w或mo。
8.传统ticn基金属陶瓷的硬质相通常形貌不规则，具有典型的黑芯亮环的芯环结构，其中黑芯粗大，均质性较差。这种传统芯环结构硬质相的芯环界面结合强度通常较低，在外力作用下容易出现应力集中和穿晶断裂，容易出现裂纹的萌生和扩展。在金属陶瓷领域，改善其强韧性一直是该领域的研究热点。如前所述的方法，均是为了改善芯环界面的结合强度和韧性。

技术实现要素：

9.本发明针对ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料韧性和强度低、抗崩刃性差等问题，提供了一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法，可有效改善芯环界面的结合强度和韧性。
10.本发明采用以下技术方案：一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，所述金属陶瓷刀具材料由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％～40％；wc：1～5％；mo2c：0.5～5％；(ti,w,me)c
xn1-x
：45％～65％；si3n4：1～5％；co：1.5～8％；ni：1.5～8％。
11.所述金属陶瓷刀具材料由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％～35％；wc：1～2％；mo2c：0.5～1％；(ti,w,me)c
xn1-x
：45％～64％；si3n4：1～2％；co：5％～8％；ni：6～8％。
12.所述金属陶瓷刀具材料由具有芯-核结构的ti(c
0.5
,n
0.5
)硬质相、近圆形(ti,w,me)c
xn1-x
硬质相及均匀分布的粘结相组成。
13.所述si3n4为近球形粉体或晶须状，且粉体直径、晶须直径为0.2～1.0μm。
14.所述(ti,w,me)c
xn1-x
中的me指的是第4族、第5族和第6族过渡族金属元素，包括但不限于ta、nb、mo、cr、v中的一种或多种，x的值为0.3～0.7。
15.本发明还提供一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料的制备方法，包括如下步骤：
16.s1：制备(ti,w,me)c
xn1-x
固溶体，即将tio2、wc、mec、c按比例在球磨罐中混合10～30h，采用硬质合金球，球料比3:1～5:1，过筛后在碳管炉中、n2气氛下进行反应，反应温度1300℃～1600℃，反应时间30～120min，反应完成后球磨破碎并过筛，得到(ti,w,me)c
xn1-x
粉体。
17.s2：制备金属陶瓷合金，包括湿磨混合、喷雾干燥制粒、成型、烧结。
18.(1)湿磨混合：按比例称取各种原料和原料总重3～6wt.％的成型剂，一起投入到湿磨机中，加入物料总重量30％～45％的湿磨介质和物料总重量7～11倍的硬质合金球磨球，在临界转速40％-65％的转速下混合50～90小时；
19.(2)喷雾干燥制粒：将步骤(1)所得的料浆喷雾干燥，得到近球形的混合料；
20.(3)成型：将步骤(2)所得的混合料在1.5～3.0t/cm2的压力下压制成型，得到刀具材料压坯；
21.(4)烧结：将步骤(3)所得的刀具材料压坯在烧结炉中脱除成型剂后，在真空下以6℃/min的速度从450℃升温至1100℃～1200℃，在1100℃～1200℃保温30～60min后以5℃/min的速度从1100℃～1200℃升温至1350℃，在1350℃保温30～60min，然后通入n2至1～10kpa，以1.5～4℃/min的速度升温至1450℃～1550℃，向烧结炉中通入ar使总压力达到0.5～5bar，保温30～60min后抽真空，继续烧结，保温30～60min后随炉降温。
22.本发明中，ti(c
0.5
,n
0.5
)作为第一硬质相，提供基本的硬度、耐磨性；第二硬质相是(ti,w,me)c
xn1-x
，用来提高刀具的高温红硬性和抗塑性变形能力；wc和mo2c用来改善硬质相与粘结剂的润湿性；si3n4溶入粘结相中，细化碳氮化钛晶粒，提高金属陶瓷的硬度和强韧性。
23.在ti(c
0.5
,n
0.5
)基金属陶瓷中引入si3n4，在tic
0.5n0.5
与粘结剂结合面上生成(ti,
si)c
0.5n0.5
化合物，抑制ti、n、c原子的扩散，从而抑制烧结过程中ti(c
0.5
,n
0.5
)硬质相的长大。此外，以(ti,w,me)c
xn1-x
固溶体作为原料，由于高温下(ti,w,me)c
xn1-x
固溶体自身成分已均匀，高温烧结时原子扩散较少，环形相薄，提高了与粘结相的结合强度。
24.综上所述，通过优化原始成分中的各种原料的比例，并引入si3n4和(ti,w,me)c
xn1-x
固溶体作为原料，可以有效改善芯环界面的成分和结构，提高了硬质相与粘结相之间的结合强度和韧性，从而提高了金属陶瓷的综合性能。
25.与现有技术相比，本发明的上述方案有如下的优点：
26.1.本发明通过优化原始成分并引入si3n4，抑制烧结过程中ti(c
0.5
,n
0.5
)硬质相的长大，使ti(c,n)基金属陶瓷材料的硬度、强度、韧性得到提升。
27.2.本发明引入(ti,w,me)c
xn1-x
固溶体作为原料，减少了环形相的形成，提高了粘结相与硬质相的结合强度。
附图说明
28.图1是本发明实施例1中的金属陶瓷组织示意图。
29.图2是本发明实施例3中的金属陶瓷组织示意图。
具体实施方式
30.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
31.本发明为一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，所述金属陶瓷刀具材料由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％～40％；wc：1～5％；mo2c：0.5～5％；(ti,w,me)c
xn1-x
：45％～65％；si3n4：1～5％；co：1.5～8％；ni：1.5～8％。
32.所述金属陶瓷刀具材料由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％～35％；wc：1～2％；mo2c：0.5～1％；(ti,w,me)c
xn1-x
：45％～64％；si3n4：1～2％；co：5％～8％；ni：6～8％。
33.所述金属陶瓷刀具材料由具有芯-核结构的ti(c
0.5
,n
0.5
)硬质相、近圆形(ti,w,me)c
xn1-x
硬质相及均匀分布的粘结相组成。
34.所述si3n4为近球形粉体或晶须状，且粉体直径、晶须直径为0.2～1.0μm。
35.所述(ti,w,me)c
xn1-x
中的me指的是第4族、第5族和第6族过渡族金属元素，包括但不限于ta、nb、mo、cr、v中的一种或多种，x的值为0.3～0.7。
36.实施例1
37.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：26％；wc：2％；mo2c：1％；(ti,w,ta,nb,mo,cr)c
0.6n0.4
：55％；si3n4：2％；co：8％；ni：6％。其中，(ti,w,ta,nb,mo,cr)c
0.6n0.4
中金属元素的重量百分比为：ti：30％，w：50％，ta：6％，nb：8％，mo：3％，cr：3％。
38.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料的制备方法，包括如下步骤：
39.s1：制备(ti,w,ta,nb,mo,cr)c
0.6n0.4
固溶体，即将tio2、wc、tac、nbc、mo2c、cr3c2、c按比例在球磨罐中混合20h，采用硬质合金球，球料比3:1，过筛后在碳管炉中、n2气氛下进行反应，反应温度1350℃，反应时间40min，反应完成后球磨破碎并过筛，得到(ti,w,ta,nb,
mo,cr)c
0.6n0.4
粉体。
40.s2：制备金属陶瓷合金，包括湿磨混合、喷雾干燥制粒、成型、烧结。
41.(1)湿磨混合：按比例称取各种原料和原料总重4wt.％的成型剂，一起投入到湿磨机中，加入物料总重量35％的湿磨介质和物料总重量8倍的硬质合金球磨球，在临界转速45％的转速下混合50小时；
42.(2)喷雾干燥制粒：将步骤(1)所得的料浆喷雾干燥，得到近球形的混合料；
43.(3)成型：将步骤(2)所得的混合料在1.8t/cm2的压力下压制成型，得到刀具材料压坯；
44.(4)烧结：将步骤(3)所得的刀具材料压坯在烧结炉中脱除成型剂后，在真空下以6℃/min的速度从450℃升温至1100℃，在1100℃保温30min后以5℃/min的速度从1100℃升温至1350℃，在1350℃保温40min，然后通入n2至5kpa，以2℃/min的速度升温至1480℃，向烧结炉中通入ar使总压力达到0.5bar，保温30min后抽真空，继续烧结，保温30min后随炉降温。
45.图1为本实施例的金相组织示意图，图中标识出了(ti,w,ta,nb,mo,cr)c
0.6n0.4
相和ti(c
0.5
,n
0.5
)相，其中ti(c
0.5
,n
0.5
)相有很薄的环形结构。其余灰白相为粘结剂。
46.实施例2
47.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：35％；wc：2％；mo2c：1％；(ti,w,ta,mo,v)c
0.5n0.5
：45％；si3n4：1％；co：8％；ni：8％。其中，(ti,w,ta,mo,v)c
0.5n0.5
中金属元素的重量百分比为：ti：50％，w：30％，ta：12％，mo：6％，v：2％。
48.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料的制备方法，包括如下步骤：
49.s1：制备(ti,w,ta,mo,v)c
0.5n0.5
固溶体，即将tio2、wc、tac、mo2c、vc、c按比例在球磨罐中混合30h，采用硬质合金球，球料比5:1，过筛后在碳管炉中、n2气氛下进行反应，反应温度1300℃，反应时间90min，反应完成后球磨破碎并过筛，得到(ti,w,ta,mo,v)c
0.5n0.5
粉体。
50.s2：制备金属陶瓷合金，包括湿磨混合、喷雾干燥制粒、成型、烧结。
51.(1)湿磨混合：按比例称取各种原料和原料总重5wt.％的成型剂，一起投入到湿磨机中，加入物料总重量30％的湿磨介质和物料总重量7倍的硬质合金球磨球，在临界转速40的转速下混合90小时；
52.(2)喷雾干燥制粒：将步骤(1)所得的料浆喷雾干燥，得到近球形的混合料；
53.(3)成型：将步骤(2)所得的混合料在2.0t/cm2的压力下压制成型，得到刀具材料压坯；
54.(4)烧结：将步骤(3)所得的刀具材料压坯在烧结炉中脱除成型剂后，在真空下以6℃/min的速度从450℃升温至1200℃，在1200℃保温50min后以5℃/min的速度从1200℃升温至1350℃，在1350℃保温30min，然后通入n2至1kpa，以2.5℃/min的速度升温至1550℃，向烧结炉中通入ar使总压力达到0.5bar，保温30min后抽真空，继续烧结，保温50min后随炉降温。
55.实施例3
56.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，由以下质量百分比组分的
原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％；wc：1％；mo2c：0.5％；(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
：64％；si3n4晶须：1.5％；co：5％；ni：8％。其中，(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
中金属元素的重量百分比为：ti：55％，w：35％，nb：9％，cr：1％。
57.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料的制备方法，包括如下步骤：
58.s1：制备(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
固溶体，即将tio2、wc、nbc、cr3c2、c按比例在球磨罐中混合25h，采用硬质合金球，球料比4:1，过筛后在碳管炉中、n2气氛下进行反应，反应温度1400℃，反应时间70min，反应完成后球磨破碎并过筛，得到(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
粉体。
59.s2：制备金属陶瓷合金，包括湿磨混合、喷雾干燥制粒、成型、烧结。
60.(1)湿磨混合：按比例称取各种原料和原料总重4.5wt.％的成型剂，一起投入到湿磨机中，加入物料总重量38％的湿磨介质和物料总重量11倍的硬质合金球磨球，在临界转速50％的转速下混合55小时；
61.(2)喷雾干燥制粒：将步骤(1)所得的料浆喷雾干燥，得到近球形的混合料；
62.(3)成型：将步骤(2)所得的混合料在3.0t/cm2的压力下压制成型，得到刀具材料压坯；
63.(4)烧结：将步骤(3)所得的刀具材料压坯在烧结炉中脱除成型剂后，在真空下以6℃/min的速度从450℃升温至1150℃，在1150℃保温35min后以5℃/min的速度从1150℃升温至1350℃，在1350℃保温35min，然后通入n2至3kpa，以3℃/min的速度升温至1450℃，向烧结炉中通入ar使总压力达到5bar，保温60min后抽真空，继续烧结，保温60min后随炉降温。
64.图2为本实施例的金相组织示意图，图中标识出了(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
相、ti(c
0.5
,n
0.5
)相和si3n4晶须，其中ti(c
0.5
,n
0.5
)相和si3n4晶须有很薄的环形结构。其余灰白相为粘结剂。
65.实施例4
66.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％；wc：5％；mo2c：5％；(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
：65％；si3n4晶须：1％；co：1.5％；ni：2.8％。其中，(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
中金属元素的重量百分比为：ti：50％，w：32％，nb：16％，cr：2％。
67.实施例5
68.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：40％；wc：1％；mo2c：5％；(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
：45％；si3n4晶须：5％；co：2.5％；ni：1.5％。其中，(ti,w,nb,cr)c
0.7n0.3
中金属元素的重量百分比为：ti：50％，w：32％，nb：16％，cr：2％。
69.通过实施例4、实施例5金属陶瓷刀具材料的分析，该ti(c,n)基金属陶瓷材料的硬度、强度、韧性得到提升。
70.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所述金属陶瓷刀具材料由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％～40％；wc：1～5％；mo2c：0.5～5％；(ti,w,me)c
x
n
1-x
：45％～65％；si3n4：1～5％；co：1.5～8％；ni：1.5～8％。2.根据权利要求1所述的一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所述金属陶瓷刀具材料由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％～35％；wc：1～2％；mo2c：0.5～1％；(ti,w,me)c
x
n
1-x
：45％～64％；si3n4：1～2％；co：5％～8％；ni：6～8％。3.根据权利要求2所述的一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所述金属陶瓷刀具材料由以下质量百分比组分的原料制备：ti(c
0.5
,n
0.5
)：20％；wc：1％；mo2c：0.5％；(ti,w,me)c
x
n
1-x
：64％；si3n4：1.5％；co：5％％；ni：8％。4.根据权利要求1所述的一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所述金属陶瓷刀具材料由具有芯-核结构的ti(c
0.5
,n
0.5
)硬质相、近圆形(ti,w,me)c
x
n
1-x
硬质相及均匀分布的粘结相组成。5.根据权利要求1所述的一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所述si3n4为近球形粉体或晶须状，且粉体直径、晶须直径为0.2～1.0μm。6.根据权利要求1所述的一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料，其特征在于，所述(ti,w,me)c
x
n
1-x
中的me指的是第4族、第5族和第6族过渡族金属元素，包括但不限于ta、nb、mo、cr、v中的一种或多种，x的值为0.3～0.7。7.一种如权利要求1～3任意一项所述的一种si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，制备(ti,w,me)c
x
n
1-x
固溶体：将tio2、wc、mec、c按比例在球磨罐中混合10～30h，采用硬质合金球，球料比3:1～5:1，过筛后在碳管炉中、n2气氛下进行反应，反应温度1300℃～1600℃，反应时间30～120min，反应完成后球磨破碎并过筛，得到(ti,w,me)c
x
n
1-x
粉体；s2，制备金属陶瓷合金，包括湿磨混合、喷雾干燥制粒、成型、烧结。8.如权利要求7所述的si3n4强化的非均质ti(c,n)基金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，上述s2步骤中，其步骤为：(1)湿磨混合：按比例称取各种原料和原料总重3～6wt.％的成型剂，一起投入到湿磨机中，加入物料总重量30％～45％的湿磨介质和物料总重量7～11倍的硬质合金球磨球，在临界转速40％-65％的转速下混合50～90小时；(2)喷雾干燥制粒：将步骤(1)所得的料浆喷雾干燥，得到近球形的混合料；(3)成型：将步骤(2)所得的混合料在1.5～3.0t/cm2的压力下压制成型，得到刀具材料压坯；(4)烧结：将步骤(3)所得的刀具材料压坯在烧结炉中脱除成型剂后，在真空下以6℃/min的速度从450℃升温至1100℃～1200℃，在1100℃～1200℃保温30～60min后以5℃/min的速度从1100℃～1200℃升温至1350℃，在1350℃保温30～60min，然后通入n2至1～10kpa，以1.5～4℃/min的速度升温至1450℃～1550℃，向烧结炉中通入ar使总压力达到0.5～5bar，保温30～60min后抽真空，继续烧结，保温30～60min后随炉降温。

技术总结

本发明公开一种Si3N4强化的非均质的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法，所述金属陶瓷刀具材料由以下质量百分比组分的原料制备：Ti(C

技术研发人员：

程登峰 刘国富 李茜

受保护的技术使用者：

弗克森切削技术（苏州）有限公司

技术研发日：

2021.09.01

技术公布日：

2022/11/25