一种基于(Ti,M)(C,N)固溶体粉的弱芯环结构新型金属陶瓷材料 【技术领域】
本发明属于碳氮化钛金属陶瓷和粉末冶金技术领域。
背景技术
Ti(C，N)基金属陶瓷因其良好的红硬性和抗月牙洼磨损能力和低廉的制造成本，是世界主要工业国家重视Ti(C，N)基金属陶瓷技术的主要原因。尽管通过添加诸如WC、Mo2C等第二类碳化物可显著改善硬质相与粘结相之间的润湿性并在一定程度上提高其强度。但与传统WC-Co硬质合金的高韧性(约为9-16MPa m1/2)相比，商用Ti(C，N)基金属陶瓷仍稍逊一筹(约为6-9MPa m1/2)，目前还无法取代WC-Co硬质合金工模具。如何提高Ti(C，N)基金属陶瓷的韧性，已成为世界各国材料工作者关注的焦点之一。
当利用Ti(C，N)或TiC+TiN作为开始粉末，通过添加第二类碳化物来提高Ti(C，N)基金属陶瓷的强韧性时，观察到Ti(C，N)基金属陶瓷烧结体的显微结构具有典型的芯环结构：硬质相周围被Ni、Co等粘结相环绕，硬质相的典型芯环结构为灰黑色芯部及包覆在四周的浅白色环形相组成，其中芯核相为Ti(C，N)、环形相为(Ti，W，Mo....)(C，N)固溶体。环形相(Ti，W，Mo....)(C，N)的出现改善了硬质相与Ni、Co等粘结相的界面润湿性，从而使该金属陶瓷的力学性能显著优于Ti(C，N)-Ni/Co单一金属陶瓷。然而，由于Ti(C，N)芯核的存在，具有此芯环结构的Ti(C，N)基金属陶瓷依然存在该金属陶瓷的韧性低于WC-Co硬质合金的问题。
2005年，韩国首尔大学申请了“固体溶液粉末、陶瓷、金属陶瓷粉末、金属陶瓷及制备法”中国专利，报道了利用高能球磨技术在1300℃成功合成(Ti，W，Mo....)(C，N)固溶体粉末，并以此粉末压制烧结，制备了高断裂韧性(12-13MPam1/2)的无芯环结构的Ti(C，N)基金属陶瓷。然而遗憾的是，这种高韧性Ti(C，N)基金属陶瓷的HV硬度仅为11-12GPa，远低于商用Ti(C，N)基金属陶瓷14-17GPa的硬度水平。
【发明内容】
本发明的目的在于结合具有典型芯环结构的传统Ti(C，N)基金属陶瓷和无芯环结构的Ti(C，N)基金属陶瓷的优缺点，提供一种具有弱芯环结构的显微组织的新型金属陶瓷材料，获得优异的综合力学性能。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
基于(Ti，M)(C，N)固溶体粉的弱芯环结构新型金属陶瓷材料，采用(Ti，M)(C，N)固溶体粉末为硬质相组元，Ni或/和Co为粘结相组元，并添加第二类碳化物粉末，其原料组分及各组分的重量百分数为：Ni或/和Co为10～20％，第二类碳化物粉末为10-35％，(Ti，M)(C，N)为余量。
更进一步的是上述弱芯环结构新型金属陶瓷材料的原料中的(Ti，M)(C，N)固溶体粉的组分及各组分的重量百分数为：C 5～20％、N 5～20％、M 10～40％，Ti余量；其中M为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种。
更进一步的是上述弱芯环结构新型金属陶瓷材料的原料中的的第二类碳化物粉末为WC、VXC(0＜x≤1)、Mo2C、Cr3C2、TaC、NbC中至少一种。
更进一步的是上述新型金属陶瓷材料金属陶瓷材料的微观结构是具有弱芯环的结构特征。
本发明所述弱芯环结构新型金属陶瓷材料的制备方法与工艺步骤如下：
(1)配料
按照权利要求1所述的组分和配比，计算各组元重量，利用电子天平对各组分粉末进行称量。
(2)球磨混料
将步骤(1)称量好的原料粉末放入以直径为￠10mm的YG8合金球和无水乙醇为球磨介质的聚氨酯球磨罐中，然后在辊式球磨机上球磨72h，球料比8∶1，球磨转速30转/min。湿磨料取出后在真空干燥箱中80℃干燥，然后加入汽油橡胶或聚乙二醇水溶液进行掺胶造粒。
(3)压制
将步骤(2)掺胶后的粒料放入模具中压制成型，压制压力120-180MPa。
(4)脱胶→低压烧结
将步骤(3)压制好的坯体放入烘箱中于80℃干燥，再放入真空烧结炉中脱胶处理，温度为400-650℃，加热时间5-8小时。脱胶后的坯体放入低压烧结炉中于1400-1500℃烧结1-2h，烧结保温的最后半小时充入2-6MPa的Ar或N2气。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了基于(Ti，M)(C，N)固溶体粉的弱芯环结构新型金属陶瓷材料，，其显微组织具有不同于“典型芯环结构和无芯环结构”地弱芯环结构的特征，为Ti(C，N)基金属陶瓷材料增加了新的类型。
2、本发明提供的基于(Ti，M)(C，N)固溶体粉的弱芯环结构新型金属陶瓷材料，其综合力学性能好，抗弯强度＞2000MPa，HV硬度＞1500MPa，断裂韧性＞10MPam-1/2。
3、本发明所述方法工艺简单，所用设备为常规设备，便于工业化生产。
【附图说明】
图1是所制备的基于Ti(C，N)基固溶体粉末，以第二类碳化物改性的Ti(C，N)基金属陶瓷的扫描电镜图，其中(a)为实施例1中金属陶瓷的扫描电镜图；(b)为实施例2中金属陶瓷的扫描电镜图。
表1是图1(a)的Eds能谱元素分析，证实弱芯环结构的芯核为固溶体相。
表2是实施例1，2，7中所制备的金属陶瓷的力学性能。
【具体实施方式】
下面通过实施例对本发明所述基于Ti(C，N)基固溶体粉末，以第二类碳化物改性的Ti(C，N)基金属陶瓷及其制备方法作进一步说明。其中(Ti，M)(C，N)固溶体粉末中，各成分含量均为质量百分含量，例如，(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C0.5，N0.5)表示W占Ti含量的15％，Mo占Ti含量的5％，V占Ti含量的0.2％，C/N比为0.5/0.5。
实施例1
(1)成分配料
超细(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C0.6，N0.4)固溶体粉65g、Ni粉8g、Co粉7g、WC粉15g、Mo2C粉5g。
利用电子天平称量上述粉末组分。
(2)球磨混料
按步骤(1)配备的原料粉末放入以直径为￠10mm的YG8合金球和无水乙醇为球磨介质的聚氨酯球磨罐中，然后在辊式球磨机上球磨72h，球料比8∶1，球磨转速30转/min。湿磨料取出后在真空干燥箱中80℃干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液进行掺胶造粒。
(3)压制
将步骤(2)掺胶后的粒料放入模具中压制成型，压制压力150MPa。
(4)脱胶→低压烧结
将步骤(3)压制好的坯体放入烘箱中于80℃干燥，再放入真空烧结炉中脱胶处理，温度为650℃，加热时间6小时。脱胶后的坯体放入低压烧结炉中于1450℃烧结1.5h，烧结保温的最后半小时充入4MPa的Ar气。
实施例2
(1)成分配料
超细(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C0.6，N04)固溶体粉65g、Ni粉11g、Co粉9g、WC粉5g、Mo2C粉10g。
利用电子天平称量上述粉末组分。
(2)球磨混料
按步骤(1)配备的原料粉末放入以直径为￠10mm的YG8合金球和无水乙醇为球磨介质的聚氨酯球磨罐中，然后在辊式球磨机上球磨72h，球料比8∶1，球磨转速30转/min。湿磨料取出后在真空干燥箱中80℃干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液进行掺胶造粒。
(3)压制
将步骤(2)掺胶后的粒料放入模具中压制成型，压制压力120MPa。
(4)脱胶→低压烧结
将步骤(3)压制好的坯体放入烘箱中于80℃干燥，再放入真空烧结炉中脱胶处理，温度为600℃，加热时间8小时。脱胶后的坯体放入低压烧结炉中于1450℃烧结1.5h，烧结保温的最后半小时充入2MPa的Ar气。
实施例3
(1)成分配料
超细(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C0.5，N0.5)固溶体粉75g、Ni粉6g、Co粉4g、TaC粉5g、Mo2C粉10g。
利用电子天平称量上述粉末组分。
(2)球磨混料
按步骤(1)配备的原料粉末放入以直径为￠10mm的YG8合金球和无水乙醇为球磨介质的聚氨酯球磨罐中，然后在辊式球磨机上球磨72h，球料比8∶1，球磨转速30转/min。湿磨料取出后在真空干燥箱中80℃干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液进行掺胶造粒。
(3)压制
将步骤(2)掺胶后的粒料放入模具中压制成型，压制压力180MPa。
(4)脱胶→低压烧结
将步骤(3)压制好的坯体放入烘箱中于80℃干燥，再放入真空烧结炉中脱胶处理，温度为650℃，加热时间5小时。脱胶后的坯体放入低压烧结炉中于1460℃烧结1h，烧结保温的最后半小时充入6MPa的N2气。
实施例4
(1)成分配料
超细(Ti，W15，Mo5，V0.2)(C0.5，N0.5)固溶体粉75g、Ni粉8g、Co粉7g、Mo2C粉9g，Cr3C2粉1g。
利用电子天平称量上述粉末组分。
(2)球磨混料
按步骤(1)配备的原料粉末放入以直径为￠10mm的YG8合金球和无水乙醇为球磨介质的聚氨酯球磨罐中，然后在辊式球磨机上球磨72h，球料比8∶1，球磨转速30转/min。湿磨料取出后在真空干燥箱中80℃干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液进行掺胶造粒。
(3)压制
将步骤(2)掺胶后的粒料放入模具中压制成型，压制压力150MPa。
(4)脱胶→低压烧结
将步骤(3)压制好的坯体放入烘箱中于80℃干燥，再放入真空烧结炉中脱胶处理，温度为650℃，加热时间5小时。脱胶后的坯体放入低压烧结炉中于1460℃烧结1h，烧结保温的最后半小时充入6MPa的N2气。
实施例5
(1)成分配料
超细(Ti，W10)(C0.5，N0.5)固溶体粉50g、Ni粉8g、Co粉7g、WC粉15g、Mo2C粉20g。
利用电子天平称量上述粉末组分。
(2)球磨混料
按步骤(1)配备的原料粉末放入以直径为￠10mm的YG8合金球和无水乙醇为球磨介质的聚氨酯球磨罐中，然后在辊式球磨机上球磨72h，球料比8∶1，球磨转速30转/min。湿磨料取出后在真空干燥箱中80℃干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液进行掺胶造粒。
(3)压制
将步骤(2)掺胶后的粒料放入模具中压制成型，压制压力160MPa。
(4)脱胶→低压烧结
将步骤(3)压制好的坯体放入烘箱中于80℃干燥，再放入真空烧结炉中脱胶处理，温度为600℃，加热时间6小时。脱胶后的坯体放入低压烧结炉中于1430℃烧结1.5h，烧结保温的最后半小时充入4MPa的N2气。
实施例6
(1)成分配料
超细(Ti，W20，Mo15，Ta5)(C0.5，N0.5)固溶体粉75g、Ni粉8g、Co粉7g、NbC粉5g、Mo2C粉5g。
利用电子天平称量上述粉末组分。
(2)球磨混料
按步骤(1)配备的原料粉末放入以直径为￠10mm的YG8合金球和无水乙醇为球磨介质的聚氨酯球磨罐中，然后在辊式球磨机上球磨72h，球料比8∶1，球磨转速30转/min。湿磨料取出后在真空干燥箱中80℃干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液进行掺胶造粒。
(3)压制
将步骤(2)掺胶后的粒料放入模具中压制成型，压制压力120MPa。
(4)脱胶→低压烧结
将步骤(3)压制好的坯体放入烘箱中于80℃干燥，再放入真空烧结炉中脱胶处理，温度为600℃，加热时间6小时。脱胶后的坯体放入低压烧结炉中于1500℃烧结1h，烧结保温的最后半小时充入4MPa的N2气。
实施例7
(1)成分配料
超细(Ti，W20，Mo15，Cr0.5)(C0.7，N0.3)固溶体粉75g、Ni粉8g、Co粉7g、Mo2C粉10g。
利用电子天平称量上述粉末组分。
(2)球磨混料
按步骤(1)配备的原料粉末放入以直径为￠10mm的YG8合金球和无水乙醇为球磨介质的聚氨酯球磨罐中，然后在辊式球磨机上球磨72h，球料比8∶1，球磨转速30转/min。湿磨料取出后在真空干燥箱中80℃干燥，然后加入聚乙二醇酒精溶液进行掺胶造粒。
(3)压制
将步骤(2)掺胶后的粒料放入模具中压制成型，压制压力150MPa。
(4)脱胶→低压烧结
将步骤(3)压制好的坯体放入烘箱中于80℃干燥，再放入真空烧结炉中脱胶处理，温度为400℃，加热时间8小时。脱胶后的坯体放入低压烧结炉中于1480℃烧结1.5h，烧结保温的最后半小时充入4MPa的Ar气。