一种含TiO2的金属陶瓷刀具材料及其制备方法

文档序号：1180640 发布日期：2020-09-22 浏览：37次 >En<

阅读说明：本技术 一种含TiO2的金属陶瓷刀具材料及其制备方法 (Contains TiO2Cermet cutter material and preparation method thereof ) 是由彭欣高荣根杨慧肖旭凯于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种含有TiO2的金属陶瓷刀具材料及其制备方法,材料包括以下质量百分比组分的原料,Ti(C0.5,N0.5)：35～45％,(Ti39.8,W46.9)C：20～30％,Mo2C：5～15％,TaC：5～10％,Cr2C3：0.5～1.5％,Co+Ni：12～18％,TiO2：1～3％。按配比称取各原料,加入聚乙二醇成型剂及酒精,经过球磨、干燥后,压制成坯体；所得坯体经烧结、快速冷却而得到含有TiO2的金属陶瓷刀具材料,此方法能够大幅提高金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性,以实现硬度与强韧性的良好匹配,提高了金属陶瓷的切削稳定性及和使用寿命。(The invention provides a catalyst containing TiO 2 The metal ceramic cutting tool material comprises the following raw materials of Ti (C) and a preparation method thereof 0.5 ，N 0.5 )：35～45％，(Ti 39.8 ，W 46.9 )C：20～30％，Mo 2 C：5～15％，TaC：5～10％，Cr 2 C 3 ：0.5～1.5％，Co+Ni：12～18％，TiO 2 :1 to 3 percent. Weighing the raw materials according to the proportion, adding a polyethylene glycol forming agent and alcohol, performing ball milling and drying, and pressing into a blank; sintering and rapidly cooling the obtained blank to obtain the product containing TiO 2 The method can greatly improve the bending strength and the fracture toughness of the metal ceramic so as to realize good matching of hardness and toughness and improve the metal ceramicCutting stability and service life.)

技术领域

本发明涉及金属陶瓷领域，特别涉及一种含TiO₂的金属陶瓷刀具材料及其制备方法。

背景技术

金属陶瓷作为一种新型的硬质材料，具有高硬度、高耐磨性以及化学稳定性等优异特性，因而被广泛用作刀具材料、模具材料以及耐热、耐磨部件。特别的，作为切削刀具，金属陶瓷具有耐高温、摩擦系数小、抗金属粘着性能好等特点，在精加工、半精加工切削钢件和铸钢，铸铁等方面逐步地部分取代了传统的硬质合金刀具。然而，金属陶瓷刀具具有较差的韧性和抗崩刃性的特点，存在异常的刀具破裂，若是单纯通过提高粘结相的含量，则可以提高韧性，但同时会造成刀具的耐磨性能大大降低，抗塑性能力的也会下降，最终刀具寿命也较差。另外，在金属陶瓷中，碳平衡两相区的较宽，处于低碳侧或高碳侧均不利于金属陶瓷性能的最优化，如何找到碳平衡的最优值也是值得探讨的问题。

因此，有必要提供一种含TiO₂的金属陶瓷刀具材料的制备方法，以提高金属陶瓷刀具的抗弯强度和断裂韧性，及材料的整体的硬度，使金属陶瓷刀具的切削稳定性和寿命得到提升。

发明内容

本发明提供了一种含TiO₂的金属陶瓷刀具材料及其制备方法，其目的是为了提高含TiO₂的金属陶瓷刀具的抗弯强度、硬度及断裂韧性能，同时也提高其耐磨性。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种含TiO₂的金属陶瓷刀具材料，包括以下质量百分比组分的原料，Ti(C_0.5，N_0.5)：35～45％，(Ti_39.8，W_46.9)C：20～30％，Mo₂C：5～15％，TaC：5～10％，Cr₂C₃：0.5～1.5％，Co+Ni：12～18％，TiO₂：1～3％。

优选地，所述Ti(C_0.5，N_0.5)、(Ti_39.8，W_46.9)C、Mo₂C、TaC、Cr₂C₃的粒径为0.5～2μm。

优选地，所述镍粉为羰基镍粉。

优选地，所述TiO₂为纳米超细粉末，粒径为50～100nm。

本发明的实施例还提供了一种含TiO₂的金属陶瓷刀具材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按照原料配比，分别称取Ti(C_0.5，N_0.5)、(Ti_39.8，W_46.9)C、Mo₂C、TaC、Cr₂C₃、Co、Ni和TiO₂，然后加入占原料总质量2～4％的聚乙二醇和0.70～0.80L/kg原料的酒精，混合后进行球磨，经干燥得到混合料；

步骤2，混合料在80～120MPa的压制压力下压制成型，得到坯体；

步骤3，将所得坯体在脱酯-烧结一体炉中进行烧结，烧结温度为1450～1500℃，保温时间为60min，烧结时通入相对大气压30～40mbar的氮气进行表面渗氮处理，烧结结束后，进行快冷处理，得到含TiO₂的金属陶瓷刀具材料。

优选地，所述步骤1中，球磨工艺为：球磨机转速为37r/min，球料比为8:1～10:1，球磨时间为30～54h。

优选地，所述步骤3中，快冷处理具体为：在30min内从1450～1500℃降至800℃以下。

在本发明中，通过粉末冶金的方法，制备出含TiO₂纳米超细颗粒的碳氮化钛基金属陶瓷材料，加入与金属陶瓷主要组成元素相同的且熔点高的TiO₂超细颗粒，通过氮气气氛烧结，可以使TiO₂纳米超细颗粒均匀的分布在金属陶瓷的粘结相中，强化了粘接相。同时，TiO₂纳米超细颗粒依附在碳氮化钛表面，能阻碍晶粒的长大，使得Ti(C,N)晶粒得到细化，提高了金属陶瓷的硬度和断裂韧性。而且TiO₂纳米颗粒在基体内的晶界处呈弥散质点或粒状分布，这种高熔点的氧化物其弥散强化作用可保持到较高温度，在基体内部有裂纹萌生时，由于弥散相存在，诱导断裂路径发生偏转，或联桥方式，裂纹扩展所需要的的能量越大，断裂越难以进行，则既可显著提高金属陶瓷的强度和韧性，并且颗粒越细小，越呈弥散均匀分布，强化效果越好。

另外，Ti作为金属陶瓷主要成分，TiO₂同时也可作为碳平衡调节手段，由于在配料过程中总碳含量的偏差，在制备过程中可能出现渗碳现象，而TiO₂能够调整金属陶瓷的碳平衡点位置，以达到最佳的碳平衡点，如TiO₂+3C＝TiC+2CO，不但能够解决基体内多余的碳，达到碳平衡，而且形成的碳化钛具有高硬度，从而能在一定程度上提高金属陶瓷的耐磨性。

本发明采用的粘结相中的镍粉为羰基镍粉，相对于普通的电解镍粉，羰基镍粉具有纯度高、粒度均匀细小且金属杂质含量低的特点，在液相烧结过程中，有利于粘结金属的分散，填充硬质相间隙中，提高刀具的抗弯强度及韧性。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

1、本发明采用在金属陶瓷中引入了TiO₂超细颗粒，通过加入较少量的TiO₂超细颗粒，即可实现粘结相的强化作用、抑制碳氮化钛晶粒长大以及诱导断裂路径发生偏转，达到提高金属陶瓷硬度和断裂韧性的目的，其强度、硬度和断裂韧性均优于未添加TiO₂超细颗粒普通金属陶瓷的综合性能。

2、本发明制备的含TiO₂的金属陶瓷刀具材料空隙少，整体硬度大于HRA92，断裂韧性大于8.40MPa.m^1/2，抗弯强度大于2400MPa，整体性能得到了提高，提升了金属陶瓷刀具的切削稳定性，延长了金属陶瓷刀具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的含TiO₂的金属陶瓷刀具材料的SEM图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

按照原料配比分别称取Ti(C_0.5,N_0.5)、(Ti_39.8W_46.9)C、Mo₂C、TaC、Cr₂C、Co、Ni及TiO₂，原料配比见表1。

表1实施例1中各原料含量

原料

Ti(C0.5,N0.5)

(Ti39.8W46.9)C

Mo2C

TaC

Cr2C3

TiO2

质量百分数

40％

25.5％

10％

7％

1％

9％

6％

1.5％

将上述配制好的原料倒入球磨机中，并加入占原料总质量3.5％的聚乙二醇，球料比10:1，酒精加入量为0.75L/kg原料，球磨机转速为37r/min,球磨时间为40h，制备得合金粉末混合料。将混合料在80～120MPa的压制压力下压制成一定尺寸和形状坯体。将上述所得坯体置于氮气气氛中进行烧结，烧结温度为1480℃，保温60min，通入相对大气压35mbar的氮气进行表面渗氮处理，使合金具有外硬内韧的结构；烧结结束后，进行快冷处理，在30min内将将温度从1480℃降到800℃以下，以保留高温状态的性能，并抑制晶粒长大。

本实施例制备的含TiO₂的金属陶瓷刀具材料的硬度为HRA92.8，断裂韧性为8.45MPa.m^1/2，抗弯强度为2459MPa，孔隙度为A02B00C00，形貌如图1所示，其微观结构中具有“黑芯灰环”、“白芯灰环”两种硬质相结构，且均匀分散于粘结金属中，而TiO₂颗粒则分布于硬质相表及粘结金属中。

实施例2

按照原料配比分别称取Ti(C_0.5,N_0.5)、(Ti_39.8W_46.9)C、Mo₂C、TaC、Cr₂C、Co、Ni及TiO₂，原料配比见表2。

表2实施例2中各原料含量

原料

Ti(C0.5,N0.5)

(Ti39.8W46.9)C

Mo2C

TaC

Cr2C3

TiO2

质量百分数

39.5％

26.5％

10％

6％

1％

8％

7％

2％

将上述配制好的混合原料倒入球磨机中，并加入原料总重的3.5％的聚乙二醇,球料比8:1，酒精加量为0.75L/kg,球磨时间为40h,球磨机转速为37r/min,制备得合金粉末混合料。将混合料在压制压力为80～120MPa压制成一定尺寸和形状坯体。将上述所得压坯置于氮气气氛中进行烧结，烧结温度为1480℃，保温60min，通入35mbar表面渗氮处理，使合金具有外硬内韧的结构；烧结结束后，进行快冷处理，1480℃降到800℃以下在30min内，以保留高温状态的性能，并抑制晶粒长大。

本实施例制备的金属陶瓷的硬度为HRA93.0，断裂韧性为8.65MPa.m^1/2，抗弯强度为2518MPa，孔隙度为A02B00C00。

实施例3

按照原料配比分别称取Ti(C_0.5,N_0.5)、(Ti_39.8W_46.9)C、Mo₂C、TaC、Cr₂C、Co、Ni及TiO₂，原料配比见表3。

表3实施例3中各原料含量

原料

Ti(C0.5,N0.5)

(Ti39.8W46.9)C

Mo2C

TaC

Cr2C3

TiO2

质量百分数

43.5％

22.5％

10％

6％

1％

8.5％

6.5％

3％

将上述配制好的原料倒入球磨机中，并加入占原料总质量3.5％的聚乙二醇，球料比8:1，酒精加入量为0.75L/kg原料，球磨机转速为37r/min,球磨时间为40h，制备得合金粉末混合料。将混合料在80～120MPa的压制压力下压制成一定尺寸和形状坯体。将上述所得坯体置于氮气气氛中进行烧结，烧结温度为1500℃，保温60min，通入相对大气压35mbar的氮气进行表面渗氮处理，使合金具有外硬内韧的结构；烧结结束后，进行快冷处理，在30min内将将温度从1500℃降到800℃以下，以保留高温状态的性能，并抑制晶粒长大。

本实施例制备的金属陶瓷的硬度为HRA93.2，断裂韧性为8.69MPa.m^1/2，抗弯强度为2445MPa，孔隙度为A04B00C00。

对比例1

按照原料配比分别称取Ti(C_0.5,N_0.5)、(Ti_39.8W_46.9)C、Mo₂C、TaC、Cr₂C、Co及Ni，原料配比见表4。

表4对比例1中各原料含量

原料

Ti(C0.5,N0.5)

(Ti39.8W46.9)C

Mo2C

TaC

Cr2C3

质量百分数

40％

25.5％

11％

7％

1.5％

9％

6％

对比例2

按照原料配比分别称取Ti(C_0.5,N_0.5)、(Ti_39.8W_46.9)C、Mo₂C、TaC、Cr₂C、Co、Ni及TiO₂，原料配比见表5。

表5对比例2中各原料含量

原料

Ti(C0.5,N0.5)

(Ti39.8W46.9)C

Mo2C

TaC

Cr2C3

TiO2

质量百分数

40％

25％

10％

5％

1％

9％

5％

TiO₂含量超出保护范围，会造成材料孔隙增多，润湿性降低，导致综合力学性能下降。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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