低氮高韧性的Ti（C,N）金属陶瓷基体及其制备工艺
阅读说明：本技术 低氮高韧性的Ti（C,N）金属陶瓷基体及其制备工艺 (Low-nitrogen high-toughness Ti (C, N) cermet matrix and preparation process thereof ) 是由 王淅茹 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体及其制备工艺,旨在解决金属陶瓷刀具中抗崩韧性低、产品加工稳定性不高的问题；所述低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体由以下质量百分比的原料制备而成：TiC：73％～87％、VC：3.2％～6.0％、Co:1.2％～2.6％、Ni:4.8％～11.2％、Mo：1.6％～3.4％、WC：2.0％～3.8％、N：0.15％～1.5％。本发明配方制备的金属陶瓷基体断裂韧性更高、更稳定。(The invention discloses a low-nitrogen high-toughness Ti (C, N) cermet matrix and a preparation process thereof, aiming at solving the problems of low collapse resistance and toughness and low product processing stability of a cermet cutter; the low-nitrogen high-toughness Ti (C, N) cermet matrix is prepared from the following raw materials in percentage by mass: TiC: 73-87%, VC: 3.2-6.0%, Co 1.2-2.6%, Ni 4.8-11.2%, Mo: 1.6% -3.4%, WC: 2.0% -3.8%, N: 0.15 to 1.5 percent. The metal ceramic matrix prepared by the formula of the invention has higher fracture toughness and is more stable.)
技术领域
本发明涉及合金材料的技术领域，具体涉及一种低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体及其制备工艺。
背景技术
现有的金属陶瓷刀具基体断裂韧性不高，影响刀具的使用寿命和加工稳定性，目前国内外抗崩韧性基本在7～10MPa.m1/2之间。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术中突出的问题，而提出的一种低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体及其制备工艺，其从陶瓷相成分稳定性上和金属粘结剂对陶瓷的润湿性上解决。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体，其特征在于，由以下质量百分比的原料制备而成：TiC：73％～87％、VC：3.2％～6.0％、Co:1.2％～2.6％、Ni:4.8％～11.2％、Mo：1.6％～3.4％、WC：2.0％～3.8％、N：0.15％～1.5％。
上述低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体的制备工艺，具体步骤如下：
1)混料球磨：进行配料，原料中各组分的质量百分比为：TiC：73％～87％、VC：3.2％～6.0％、Co:1.2％～2.6％、Ni:4.8％～11.2％、Mo：1.6％～3.4％、WC：2.0％～3.8％、N：0.15％～1.5％；按每千克原料加入41～45克PEG的配比，在上述原料中加入无水乙醇1400～1600毫升，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比为8∶1～10:1，球磨机转速为200r/min，在球磨机中混料72小时或在滚筒球磨机上以120r/min球磨96小时；
2)喷雾干燥：将上述步骤1中得到的混料料浆过筛取出，用无水乙醇稀释，在喷雾干燥塔中进行干燥、造粒，进风温度160±5℃，排风温度70±5℃，造粒过200目筛；
3)压制成型：将上步骤2中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mm×5.6mm×40mm，压坯表面无裂纹、毛刺、粘料；
4)真空烧结：将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度小于10-3Pa，炉温以3℃/min从室温升温至260℃，并保持450℃的温度90min；从260℃开始以3.5℃/min的升温速度升温到450℃，并保持450℃的温度45min，从450℃开始以4℃/min的升温速度升温到750℃，并保持750℃的温度30min，随后真空炉冷至100℃以下；
在真空烧结炉中进行烧结，真空度在10-4Pa～10-3Pa，炉温以4℃/min从室温升温至4500℃，并保持45℃的温度30min；从450℃开始以5℃/min的升温速度升温到1150℃，并保持1150℃的温度50min，从1150℃开始以3.5℃/min的升温速度升温到1350℃，并保持1350℃的温度30min，从1350℃开始以2.5℃/min的升温速度升温到1480～1500℃，并保持1480～1500℃的温度60min，随后真空炉冷至100℃以下。
本发明的有益效果在于：本发明配方制备的金属陶瓷基体断裂韧性更高、更稳定；测试样品断裂韧性全部达到10～12MPa.m1/2，且集中于11MPa.m1/2左右，抗弯强度达到1600～1900MPa，维氏硬度达到HV30＝1600～1780。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体，由以下质量百分比的原料制备而成：TiC：77％、VC：5.0％、Co:1.6％、Ni:10.2％、Mo：2.4％、WC：3.5％、N：0.3％。(N元素以TiN的形式引入)
上述低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体的制备工艺，具体步骤如下：
1)混料球磨：进行配料，按每千克原料加入41克PEG的配比，在上述原料中加入无水乙醇1500毫升，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比(WC磨球)为8∶1，球磨机转速为200r/min，在球磨机中混料72小时或在滚筒球磨机上以120r/min球磨96小时；
2)喷雾干燥：将上述步骤1中得到的混料料浆过筛取出，用无水乙醇稀释，在喷雾干燥塔中进行干燥、造粒，进风温度160±5℃，排风温度70±5℃，造粒过200目筛；
3)压制成型：将上步骤2中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mm×5.6mm×40mm，压坯表面无裂纹、毛刺、粘料；
4)真空烧结：将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度小于10-3Pa，炉温以3℃/min从室温升温至260℃，并保持450℃的温度90min；从260℃开始以3.5℃/min的升温速度升温到450℃，并保持450℃的温度45min，从450℃开始以4℃/min的升温速度升温到750℃，并保持750℃的温度30min，随后真空炉冷至100℃以下；
在真空烧结炉中进行烧结，真空度在10-4Pa～10-3Pa，炉温以4℃/min从室温升温至4500℃，并保持45℃的温度30min；从450℃开始以5℃/min的升温速度升温到1150℃，并保持1150℃的温度50min，从1150℃开始以3.5℃/min的升温速度升温到1350℃，并保持1350℃的温度30min，从1350℃开始以2.5℃/min的升温速度升温到1480℃，并保持1480℃的温度60min，随后真空炉冷至100℃以下。
实施例2
低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体，由以下质量百分比的原料制备而成：TiC：80％、VC：5.5％、Co:2.5％、Ni:5.5％、Mo：2.8％、WC：3.2％、N：0.5％。(N元素以Ti(C,N)的形式引入)
上述低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体的制备工艺，具体步骤如下：
1)混料球磨：进行配料，按每千克原料加入42克PEG的配比，在上述原料中加入无水乙醇1500毫升，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比(WC磨球)为9∶1，球磨机转速为200r/min，在球磨机中混料72小时或在滚筒球磨机上以120r/min球磨96小时；
2)喷雾干燥：将上述步骤1中得到的混料料浆过筛取出，用无水乙醇稀释，在喷雾干燥塔中进行干燥、造粒，进风温度160±5℃，排风温度70±5℃，造粒过200目筛；
3)压制成型：将上步骤2中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mm×5.6mm×40mm，压坯表面无裂纹、毛刺、粘料；
4)真空烧结：将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度小于10-3Pa，炉温以3℃/min从室温升温至260℃，并保持450℃的温度90min；从260℃开始以3.5℃/min的升温速度升温到450℃，并保持450℃的温度45min，从450℃开始以4℃/min的升温速度升温到750℃，并保持750℃的温度30min，随后真空炉冷至100℃以下；
在真空烧结炉中进行烧结，真空度在10-4Pa～10-3Pa，炉温以4℃/min从室温升温至4500℃，并保持45℃的温度30min；从450℃开始以5℃/min的升温速度升温到1150℃，并保持1150℃的温度50min，从1150℃开始以3.5℃/min的升温速度升温到1350℃，并保持1350℃的温度30min，从1350℃开始以2.5℃/min的升温速度升温到1490℃，并保持1490℃的温度60min，随后真空炉冷至100℃以下。
实施例3
低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体，由以下质量百分比的原料制备而成：TiC：83％、VC：3.5％、Co:1.5％、Ni:5.6％、Mo：2.4％、WC：3.0％、N：1.0％。(N元素以TiN的形式引入)
上述低氮高韧性的Ti(C,N)金属陶瓷基体的制备工艺，具体步骤如下：
1)混料球磨：进行配料，按每千克原料加入43克PEG的配比，在上述原料中加入无水乙醇1500毫升，将混合的物料在行星球磨机上湿混，球料比(WC磨球)为10:1，球磨机转速为200r/min，在球磨机中混料72小时或在滚筒球磨机上以120r/min球磨96小时；
2)喷雾干燥：将上述步骤1中得到的混料料浆过筛取出，用无水乙醇稀释，在喷雾干燥塔中进行干燥、造粒，进风温度160±5℃，排风温度70±5℃，造粒过200目筛；
3)压制成型：将上步骤2中得到的粉料模压成型，压制力215MPa，压坯尺寸为5.6mm×5.6mm×40mm，压坯表面无裂纹、毛刺、粘料；
4)真空烧结：将压坯置入真空脱脂炉中脱脂，真空脱脂炉的真空度小于10-3Pa，炉温以3℃/min从室温升温至260℃，并保持450℃的温度90min；从260℃开始以3.5℃/min的升温速度升温到450℃，并保持450℃的温度45min，从450℃开始以4℃/min的升温速度升温到750℃，并保持750℃的温度30min，随后真空炉冷至100℃以下；
在真空烧结炉中进行烧结，真空度在10-4Pa～10-3Pa，炉温以4℃/min从室温升温至4500℃，并保持45℃的温度30min；从450℃开始以5℃/min的升温速度升温到1150℃，并保持1150℃的温度50min，从1150℃开始以3.5℃/min的升温速度升温到1350℃，并保持1350℃的温度30min，从1350℃开始以2.5℃/min的升温速度升温到1500℃，并保持1500℃的温度60min，随后真空炉冷至100℃以下。
实施1制得样品断裂韧性达到11.3MPa.m1/2，抗弯强度达到1750MPa，维氏硬度达到HV30＝1650；
实施2制得样品断裂韧性达到11.1MPa.m1/2，抗弯强度达到1820MPa，维氏硬度达到HV30＝1700；
实施3制得样品断裂韧性达到10.8MPa.m1/2，抗弯强度达到1700MPa，维氏硬度达到HV30＝1740。
本发明以TiC基金属陶瓷为基础，以金属和碳化物成分为主要成分，氮化物以少量添加剂的形式加入替代现有的以Ti(C,N)为主要成分的金属陶瓷体系，降低烧结过程中C、N元素由于脱出或渗入等因素造成的C/N的成分波动，以提高金属陶瓷在烧结过程的成分稳定性；本发明重新调配了Mo，WC，VC等碳化物添加剂的成分配比，改善了粘结金属对陶瓷相的润湿性；通过以上措施，开发出高韧性的稳定的金属陶瓷基体。
本金属陶瓷基体主要应用于金属陶瓷数控刀具和车辆轴套等耐磨件；可制备金属陶瓷数控刀片，CCGT09系列、TNMG16系列、CNMG12系列等高速精加工数控刀片；可替代日本京瓷TN60母材，制备金属陶瓷数控刀片，加工稳定性更高。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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