阅读说明：本技术 一种TiCN基微粒金属陶瓷刀具及其制备方法 (TiCN-based particle metal ceramic cutter and preparation method thereof ) 是由 西昌川範 钟海彬 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种TiCN基微粒金属陶瓷刀具及其制备方法,该金属陶瓷刀具由TiCN基微粒金属陶瓷烧结体经机械加工后制备而得,所述TiCN基微粒金属陶瓷烧结体的组分组成按质量百分比计包括：TiCN40～60％、ZrC0.1～2.0％、WC15～25％、TaC和/或NbC5～15％、Co和/或Ni10～25％。该制备方法以TiO<Sub>2</Sub>为原料制备TiMCN粉末,再以TiMCN粉末、ZrC粉末、WC粉末、Ta粉末、Nb粉末、Co粉末、Ni粉末为原料,经球磨混合、压制成型/烧结处理、机械加工制备获得TiCN基微粒金属陶瓷刀具。本发明制备的刀具具有优异的耐热裂纹性,可抑制碎裂、缺损等异常损伤的发生,并在长期使用中具有耐热变形性,在碳钢、合金钢等切削和切断加工中,具有出色的切削切断性能。(The invention discloses a TiCN-based particle metal ceramic cutting tool and a preparation method thereof, wherein the metal ceramic cutting tool is prepared by machining a TiCN-based particle metal ceramic sintered body, and the TiCN-based particle metal ceramic sintered body comprises the following components in percentage by mass: 78-60% of TiCN40, 0.1-2.0% of ZrC0, 15-25% of WC, 26-15% of TaC and/or NbC5 and 25-25% of Co and/or Ni 10. The preparation method uses TiO 2 Preparing TiMCN powder as raw material, ball-milling and mixing TiMCN powder, ZrC powder, WC powder, Ta powder, Nb powder, Co powder and Ni powder as raw material, and press-forming/sinteringAnd (4) processing and machining to obtain the TiCN-based particle metal ceramic cutter. The cutting tool prepared by the invention has excellent thermal crack resistance, can inhibit the occurrence of abnormal damage such as fracture, defect and the like, has thermal deformation resistance in long-term use, and has excellent cutting performance in cutting and cutting processing of carbon steel, alloy steel and the like.)

一种TiCN基微粒金属陶瓷刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于硬质合金刀具技术领域，具体涉及一种TiCN基微粒金属陶瓷刀具及其制备方法。

背景技术

刀具的材料主要有高速钢、WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷、cBN等。其中，TiCN基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上发展起来的一种陶瓷刀具材料，与传统的WC-Co硬质合金相比，它具有更高的耐磨性、耐热性、抗月牙洼磨损能力及高温强度，同时，其韧性又比传统的A1₂O₃基陶瓷刀具材料好。金属陶瓷的出现，在克服了硬质合金刀具硬度不足的缺点下，更获得了传统陶瓷刀具难以达到的高韧性，进而填补了两者间的空白。在切削加工方面，TiCN基金属陶瓷与金属间的摩擦系数更低，在高速切削下加工出来的工件表面质量较一般刀具要好，因此更适合用于精镗孔、精孔加工和以车代磨等精加工领域。

近年来，在切削切断加工的技术领域，省力化、节能化、高速化、高效率化、低成本化的要求与日俱增，切削切断装置的高性能化令人惊叹。另一方面，刀具的使用条件越来越苛刻，要求提高TiCN基金属陶瓷本身性能的同时，要延长TiCN基金属陶瓷刀具的使用寿命。

TiCN基金属陶瓷与WC基硬质合金相比，硬度、韧性不足。为了实现TiCN基金属陶瓷刀具的长寿命，需要进一步提高耐碎裂性、耐缺损性和耐磨性。但是，在用TiCN基金属陶瓷制作复杂形状的切削切断工具时，与WC基硬质合金相比，TiCN基金属陶瓷的成形性、烧结性不充分，导致烧结体中复杂形状部分容易产生裂纹；因此制作的TiCN基金属陶瓷刀具的耐碎裂性、耐缺损性不够，存在工具寿命短的问题。

因此，在成形性和烧结性方面出色的同时，进行切削切断加工时，在市场上希望有不发生碎裂、缺损等异常损伤，在长期使用中发挥出色的切削切断性能的TiCN基金属陶瓷刀具。

发明内容

针对现有技术中TiCN基金属陶瓷存在的成形性、烧结性不充分，耐碎裂性、耐缺损性不够，工具寿命短等技术难题，本发明的目的旨在提供一种TiCN基微粒金属陶瓷刀具及其制备方法，所制备的刀具具有优异的耐热裂纹性，抑制了碎裂、缺损等异常损伤的发生，并在长期使用中具有耐热变形性，在碳钢、合金钢等切削和切断加工中，具有出色的切削切断性能。

为解决上述技术问题，本发明的发明思路是：发明人通过对TiCN基金属陶瓷刀具的碎裂、缺损等产生原因进行实验研究发现：存在于富钨相中钨浓度高的核部分和钨浓度低的周边部分，或碳氮化钛相内的富钨相是导致耐碎裂性低下、耐缺损性低下的一个主要原因。在烧结组织中，分散在TiCN基金属陶瓷中硬质相内W成份偏析的情况下，硬质相的热导性降低，并且由于该硬质相的热膨胀系数不均匀，所以在硬质相中容易产生热裂纹。切削切断加工时产生的负荷进一步导致热裂纹延伸扩大、发生碎裂或缺损。具体的，TiCN基金属陶瓷的常规制备方法是：由硬质相形成用的TiMCN粉末(这里的“TiMCN粉末”是指Ti成份和M成份的碳氮化物粉末，M成份可以是Zr、Ta和/或Nb)和形成粘结相用的Co粉末或者Ni粉末中至少一种，以及像WC粉末一样的其它硬质相形成用粉末配合制备成原材料粉末，将前述原材料粉末经粉碎混合后、压制成型、制作成成型体后进行烧结加工，获得TiCN基金属陶瓷。作为上述TiMCN粉末的原始原料，一般使用海棉Ti，但在TiMCN粉末制造工序中，包含粉碎工序，在硬质相形成用的TiMCN粉末内部由于粉碎导致重排。另外，在原材料粉末粉碎混合时，通常会使用硬质合金球介质的滚动式球磨机和搅拌式球磨机，在这道工序中也会由于使用粉碎能量大的硬质合金球，导致硬质相形成用TiMCN粉末重排。如此，使用过多重排的硬质相形成用TiMCN粉末，在制作TiCN基金属陶瓷时，存在TiMCN粉末中的重排在烧结工序W浸入，TiMCN硬质相内发生富钨相偏析，其结果是，变得不均匀的TiMCN硬质相的导热性降低的同时，TiMCN硬质相内的热膨胀系数不均匀性导致容易产生热裂纹。

为了抑制热裂纹的产生，提高耐异常损伤性，发明人认为将TiCN基金属陶瓷的组织设为具有硬质相内无W成份偏析的均匀TiCN硬质相的结晶组织是有效的。发明人研究了防止富钨相在其内部生成偏析TiMCN硬质相或者即使生成了也可减少生成量的方法。在制造TiCN基微粒金属陶瓷时，使用TiO₂(二氧化钛)作为TiMCN粉末的原始原料，即使在原材料粉末粉碎混合工序中，继续使用硬质合金球进行粉碎混合，所获得的TiCN基微粒金属陶瓷中，富钨相在其内部偏析的TiMCN硬质相的生成量仍可大幅度减少。此外，发现用该方法制作的TiCN基金属陶瓷的成形性和烧结性都很出色，并且耐热裂纹性也很好。即是说，根据上述思路制作的TiCN基微粒金属陶瓷刀具，即使制作复杂形状的TiCN基微粒金属陶瓷也不会产生裂纹，而且在切削加工碳钢或合金钢中，不会发生由热裂纹导致的碎裂、缺损等异常损伤，长期使用中发挥其出色的耐磨性。

基于上述发明思路，本发明提供的一种TiCN基微粒金属陶瓷刀具，该金属陶瓷刀具由TiCN基微粒金属陶瓷烧结体经机械加工后制备而得，所述TiCN基微粒金属陶瓷烧结体的组分组成按质量百分比计包括：TiCN40～60％、ZrC0.1～2.0％、WC15～25％、TaC和/或NbC5～15％、Co和/或Ni10～25％。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的技术方案中，Zr与Ti均是碳化物，形成碳氮化物，或者是形成Ti、Zr、Ta、Nb、W复合碳氮化物的硬质相形成成份。ZrC用于提高金属陶瓷刀具的耐磨性，但ZrC的含有量(将Zr换算成碳化物的含量)小于0.1％(质量百分数，以下同)，其效果较小；反之，其含有量超过2.0％会阻碍烧结性，产生孔隙度，导致强度降低。因此，ZrC的平均组成为0.1～2.0％。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的技术方案中，在TiCN基微粒金属陶瓷烧结体中WC含有量小于15％，则溶解在粘结相中的W含有比例不足，无法保持期望的高温硬度，反之WC含有量超过25％，则粘结相中的W成份含有比例过高，会导致粘结相自身的高温强度急剧下降，因此容易发生缺损和碎裂，所以金属陶瓷刀具的WC平均组成为15～25质量％。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的技术方案中，与WC相同，TaC和NbC也是在烧结时溶解在粘结相中，冷却时析出形成硬质相，具有提高该硬质相的高温强度的作用。但TaC和NbC中的一种或两种合计小于5％时，不能达成上述相应的提高效果，反之，其含有比例超过15％，会使硬质相中的含有比例过高，导致硬度下降；所以TaC和NbC中的一种或两种的合计含有量为5～15％。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的技术方案中，Co和Ni中的一种或两种构成粘结相的主体，使金属陶瓷刀具具备所期望的强度和韧性。但其合计含有量小于10％无法确保烧结性；反之，其合计含有量超过25质量％则磨损会急剧恶化。因此、Co和Ni中的一种或两种合计含有量为10～25％。另外，上述粘结相中，实际上有W、Ta、Nb、Zr、Ti固溶，但相对于粘结相的总质量来说，80％以上是由Co和Ni中的一种或两种构成，所以粘结相的主体是由Co和Ni中的一种或两种构成。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的技术方案中，本发明中的金属陶瓷烧结体除了从制造原料到制造工序中不可避免地混入不纯物以外，组成成份(ZrC、WC、TaC和/或NbC中的一种或两种、Co和Ni中的一种或两种)的剩余部分实质上由TiCN构成。TiCN是烧结时生成的第1硬质相和第2硬质相的主要构成成份，具有提高金属陶瓷刀具的硬度，从而提高耐磨性的作用。但其含有比例小于40％，则无法确保所期望的硬度；反之，其含有比例超过60％，金属陶瓷刀具的强度会急剧下降，切削时容易发生缺损、碎裂。因此、其理想的含有比例为40～60％。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的技术方案中，所述TiCN基微粒金属陶瓷烧结体的组成相包括第1硬质相、第2硬质相以及粘结相，所述第1硬质相为有核结构。所述第1硬质相的核部以Ti、Zr、Ta和/或Nb中的一种或两种复合碳氮化物为主体构成(在其核部会存在富钨相的情况)，覆盖该核部的周边部分由Ti、Zr、W、Ta和/或Nb中的一种或两种复合碳氮化物构成。所述第1硬质相的核部中存在有富钨相的第1硬质相个数比例在5-10％以下。所述第2硬质相是由Ti、Zr、W、Ta和/或Nb中的一种或者是两种复合碳氮化物构成，可以形成像第1硬质相那样由核部分和周边部分组成的有核构造相，也可以是几乎均质的非有核构造相。所述粘结相以Co和Ni中的一种或两种为主体，微量的Zr、W、Ta和/或Nb部分固溶。

本发明还提供了一种TiCN基微粒金属陶瓷刀具的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备TiMCN粉末：按照如下重量百分比的组分，TiO₂粉末60-75％、ZrC粉末0.1-2.0％、Ta粉末和/或Nb粉末5.0-10.0％为原料，不经行粉碎工序，制备成平均粒径0.5～2.0μm的TiMCN粉末，所述M为Zr、Ta和/或Nb中的至少一种；

(2)制备原料粉末：按照如下重量百分比的组分，ZrC：0.1～2.0％、WC：15～25％、TaC和/或NbC中的一种或两种合计：5～15％、Co以及Ni中的一种或两种合计：10～25％、剩余部分为不可避免不纯物和由TiCN构成的平均成份组成；将步骤(1)制备的TiMCN粉末和ZrC粉末、WC粉末、TaC粉末和/或NbC粉末、Co粉末、Ni粉末进行球磨混料，至各原料均匀混合制得原料粉末；

(3)压制成型：将步骤(2)制备的原料粉末模压成型，获得压坯；

(4)预处理：将步骤(3)制备的压坯在10Pa以下的真空氛围中、以0.5-13℃/min的速度升温至1300℃；

(5)高温烧结：在500-1500Pa的氮气氛围中、以2-15℃/min的速度，从前述1300℃升温至1500-1600℃，保温30-60min；真空氛围下随炉冷却至600-900℃，再于1000-100000Pa在氮气氛围中冷却至室温，获得TiCN基微粒金属陶瓷烧结体，所述TiCN基微粒金属陶瓷烧结体经机械加工制备出规定形状，获得TiCN基微粒金属陶瓷刀具。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的制备方法的技术方案中，步骤(1)以TiO₂为原料的TiMCN粉末制备，可以按照在本领域常规已知的方法进行制备，其制造法本身并没有特殊限定。在制造TiCN基微粒金属陶瓷时，使用TiO₂(二氧化钛)作为TiMCN粉末的原始原料，即使在原材料粉末粉碎混合工序中，继续使用硬质合金球进行粉碎混合，所获得的TiCN基微粒金属陶瓷中，富钨相在其内部偏析的TiMCN硬质相的生成量仍可大幅度减少。此外，发明人研究发现用该方法制作的TiCN基金属陶瓷的成形性和烧结性都很出色，并且耐热裂纹性也很好。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的制备方法的技术方案中，所述步骤(2)中，优选将步骤(1)制备的TiMCN粉末和ZrC粉末、WC粉末、TaC粉末和/或NbC粉末、Co粉末、Ni粉末装进滚动式球磨机或搅拌式球磨机，使用硬质合金球作为粉碎混合介质、并将球磨机或搅拌机的旋转速度调为低速，在粉碎力较小的状态下粉碎混合，至各原料均匀混合获得原料粉末。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的制备方法的技术方案中，所述步骤(3)中，优选使用50～80MPa的压力把所述原料粉末压制成型，制作成规定形状的压坯。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的制备方法的技术方案中，所述TiMCN粉末平均粒径为0.5～2.0μm，是为了防止TiMCN粉末由于使用硬质合金粉碎介质导致的过度粉碎状态。进一步优选地，所述Co的费氏粒度为1-4um；Ni的费氏粒度为1-3um；TaC的费氏粒度为1-3um；ZrC的费氏粒度为1-4um；WC粉的费氏粒度为1-10um。

上述TiCN基微粒金属陶瓷刀具的制备方法所制备的TiCN基微粒金属陶瓷烧结体的孔隙度符合在中华人民共和国国家标准GB/T 3489-2015中规定的A04以下、B00(A型是指孔隙度大小小于10μm，B型是指10μm以上不足25μm的孔隙度)，不会在金属陶瓷烧结体上形成粗大的孔隙度，从而提高金属陶瓷刀具的强度、韧性、耐热裂纹性。

本发明提供的TiCN基微粒金属陶瓷刀具及其制备方法具有以下有益效果：

(1)本发明的金属陶瓷刀具，其成份组成、烧结体组织以及孔隙度在规定的适当范围内，特别是金属陶瓷烧结体的组织由粘结相、有核结构的第1硬质相和第2硬质相构成，且有核构造的第1硬质相其核部以Ti、Zr、Ta和/或Nb中的一种或两种复合碳氮化物为主体构成，覆盖该核部的周边部分由Ti、Zr、W、Ta和/或Nb中的一种或两种复合碳氮化物构成，且上述核部中存在有富钨相的第1硬质相个数比例在5-10％以下，使本发明的TiCN基微粒金属陶瓷刀具在切削碳钢和合金钢等的加工中，不会发生因热裂纹而产生的碎裂、缺损等异常损伤，长期使用可发挥其较好的切削性能。

(2)本发明的金属陶瓷刀具，通过调整组成成分的含量，使金属陶瓷烧结体具有较好的成形性、烧结性、能够提高烧结体的致密度，因此进一步提高了金属陶瓷刀具的强度、韧性、耐热裂纹性，使本发明的TiCN基微粒金属陶瓷刀具具有优异的耐碎裂性、耐缺损性，寿命时间长。

附图说明

图1是实施例制备的TiCN基微粒金属陶瓷烧结体断面的电子显微镜7500倍反射电子图像。

具体实施方式

以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

本实施例中的TiCN基微粒金属陶瓷刀具，由TiCN基微粒金属陶瓷烧结体经机械加工后制备而得，TiCN基微粒金属陶瓷烧结体的组分组成按质量百分比计包括：TiCN55.0％、ZrC1.0％、WC 16.0％、TaC 10.0％、Co 15.0％、Ni3.0％。

该TiCN基微粒金属陶瓷刀具的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)制备TiMCN粉末：按照如下重量百分比的组分，TiO₂粉末65％、ZrC粉末0.6％、Ta粉末和/或Nb粉末7.0％为原料，不经行粉碎工序，制备成平均粒径0.5～2.0μm的TiMCN粉末，所述M为Zr、Ta和/或Nb中的至少一种；

(2)制备原料粉末：将步骤(1)制备的TiMCN粉末和平均粒径为1-4um的ZrC粉末、平均粒径为1-10um的WC粉末、平均粒径为1-3um的TaC粉末、平均粒径为1-4um的Co粉末、平均粒径为1-3um的Ni粉末，按照如下重量百分比的组分进行混合料配比：TiCN55％、ZrC 1％、WC 16％、TaC和/或NbC 10％、Co 15％、Ni 3％，装进滚动式球磨机或搅拌式球磨机，使用硬质合金球作为粉碎混合介质、并将球磨机或搅拌机的旋转速度调为低速，在粉碎力较小的状态下粉碎混合，至各原料均匀混合制得原料粉末；

(3)压制成型：使用80MPa的压力把所述原料粉末压制成型，制作成规定形状的压坯；

(4)预处理：将步骤(3)制备的压坯在10Pa以下的真空氛围中、以13℃/min的速度升温至1300℃；

(5)高温烧结：在500Pa的氮气氛围中、以10℃/min的速度，从前述1300℃升温至1600℃，保温60min；真空氛围下随炉冷却至900℃，再于2000Pa在氮气氛围中冷却至室温，获得TiCN基微粒金属陶瓷烧结体，TiCN基微粒金属陶瓷烧结体经机械加工制备出规定形状，获得TiCN基微粒金属陶瓷刀具。

对本实施例制备的TiCN基金属陶瓷烧结体进行物理性质测量，如表1所示：

表1TiCN基金属陶瓷烧结体物理性质

静态物性	密度	Hv-30	K1c	TRS	孔隙度
						实测值	6.95g/cc	16.0GPa	9.0MPa·m<sup>0.5</sup>	2.5GPa	A02B00

使用扫描电子显微镜观察本实施例制备的TiCN基金属陶瓷烧结体的断面，如图1所示，是具有粘结相、第1硬质相和第2硬质相的烧结体组织。第1硬质相为有核结构，对应图中暗色物质，其核部以Ti、Zr、Ta和/或Nb中的一种或两种复合碳氮化物为主体构成，覆盖该核部的周边部分由Ti、Zr、W、Ta和/或Nb中的一种或两种复合碳氮化物构成。第2硬质相对应图中浅暗色物质，是由Ti、Zr、W、Ta和/或Nb中的一种或者是两种复合碳氮化物构成，为几乎均质的非有核构造相。粘结相对应图中浅色物质，以Co和Ni为主体，微量的Zr、W、Ta和/或Nb部分固溶，。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。