CN110468320B - 一种高硬度和高韧性的金属陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于切削刀具技术领域，公开了一种高硬度和高韧性的金属陶瓷及其制备方法和应用。所述金属陶瓷是将TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC混合后，加入WC硬质合金球和无水乙醇进行球磨；将混合后的浆料放在80～100℃进行干燥，加入成型剂聚乙烯醇进行造粒，将造粒后的粉末预压成型，采用等离子烧结，施加25～30MPa的压力，升温至1700～1800℃进行烧结制得。本发明的Ti(C,N)是金属陶瓷的硬质相，提高了金属陶瓷的致密度并控制环形相的厚度，也改进了环形相的结构和性能，NbC为晶粒抑制剂可以在烧结过程中抑制晶粒的长大，改善金属陶瓷的力学性能，提高金属陶瓷的红硬性和抗热冲击能力。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种高硬度和高韧性的金属陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
随着制造业的飞速发展，高速切削加工技术已经得到普遍运用，高速加工技术可以大幅度提高切削效率，提高工件加工表面的质量，降低加工成本，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具较传统的WC基硬质合金刀具具有更高的红硬性，良好的化学稳定性和耐磨损特性。被广泛的应用于铸铁，碳钢，不锈钢的高速加工领域。放电等离子烧结(spark plasmasintering，简称SPS)是一种新的材料制备技术，它是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内,利用上、下模兼通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末,经放电活化、热塑变形和冷却来制取高性能材料。它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等特点，在较低烧结温度和较小成型压力下烧结出高性能的材料。商业上常用无压烧结做出制备金属陶瓷，但烧结时间长，烧结成本高。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种高硬度和高韧性的金属陶瓷。
本发明另一目的在于提供上述高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述高硬度和高韧性的金属陶瓷的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种高硬度和高韧性的金属陶瓷，所述金属陶瓷是将TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC混合后，加入WC硬质合金球和无水乙醇进行球磨；将混合后的浆料放在80～100℃干燥，加入成型剂聚乙烯醇进行造粒，将造粒后的粉末预压成型，采用等离子烧结，施加25～30MPa的压力，升温至1700～1800℃进行烧结制得。
优选地，所述金属陶瓷的抗弯强度为2240～2315MPa，维氏硬度为1850～1950HV，密度为6.75～6.79g/cm3。
优选地，所述TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC的质量比为(55～60)：(15～20)：(13～15)：(7～10)：(4～6)。
优选地，所述TiC0.7N0.3的粒径为0.5～1μm，所述WC、Ni、Co、Mo2C和NbC的粒径均为1～3μm。
优选地，所述TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC总质量、WC硬质合金球和无水乙醇的质量比为1：(5～8)：(3～5)。
优选地，所述球磨的时间为24～36h。
优选地，所述升温的速率为100～200℃/min。
优选地，所述烧结的时间为2～5min。
所述的高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC混合后，加入WC硬质合金球和无水乙醇进行球磨，得混合浆料；
S2.将混合浆料放在80～100℃进行干燥，加入成型剂聚乙烯醇进行造粒，将造粒后的粉末预压成型；
S3.采用等离子烧结，施加25～30MPa的压力，升温至1700～1800℃进行烧结，制得高硬度和高韧性的金属陶瓷。
所述高硬度和高韧性的金属陶瓷在刀具切削领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的Ti(C,N)是金属陶瓷的硬质相，Ni，Co为主要的黏结相，其含量的增加可以提高金属陶瓷的致密度；WC，Mo2C为添加的碳化物，可以控制环形相的厚度，改进环形相的结构和性能，NbC为晶粒抑制剂，可以在烧结过程中抑制晶粒的长大，改善金属陶瓷的力学性能，提高金属陶瓷的红硬性和抗热冲击能力。
2.本发明在SPS烧结过程中，材料升温速率极快，可以快速通过低温区，烧结时间和保温时间短可以有效的抑制晶粒长大，烧结温度在1700-1800℃(无压烧结通常为1500℃，属于高温烧结，可以使粉体内部充分的固溶与扩散，形成较好的芯环结构(黑芯-白环，白芯-灰环结构)，白芯灰环的出现有利于其力学性能的综合提高。
附图说明
图1为实施例1中所得金属陶瓷的SEM照片。
图2为实施例2中所得金属陶瓷的SEM照片。
图3为实施例3中所得金属陶瓷的SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.按照55wt％的TiC0.7N0.3，17wt％的WC，7wt％的Ni，7wt％的Co，8wt％的Mo2C，6wt％的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C硬质合金球(YG8)，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨24小时，混合粉末；
2.将混合粉末放在温度为100℃的电热干燥箱中进行干燥处理16h，使粉末充分干燥。
3.将干燥后的混合粉末中加入成型剂聚乙烯醇进行造粒，通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。
4.将压制成型的毛坯放入SPS模具中，在温度1800℃进行烧结并保温3min，制得金属陶瓷。
性能测试：所得金属陶瓷的抗弯强度为2285MPa，维氏硬度为1880HV，密度为6.77g/cm3。图1为本实施例中所得金属陶瓷的SEM照片。从图1中可知，烧结后的金属陶瓷形成较好的芯环结构(黑芯-白环，白芯-灰环结构)，白芯灰环的出现有利于其力学性能的综合提高。
实施例2
1.按照60wt％的TiC0.7N0.3，15wt％的WC，7wt％的Ni，7wt％的Co，7wt％的Mo2C，4wt％的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C硬质合金球(YG8)，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨。
2.混料30小时后，将混合粉末放在温度为100℃的电热干燥箱中进行干燥处理12h，使粉末充分干燥，得混合粉末。
3.干燥后的混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒。通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。
4.将压制成型的毛坯放入SPS模具中，在温度1750℃进行烧结并保温4min，制成金属陶瓷。
性能测试：所得金属陶瓷的抗弯强度为2218MPa，维氏硬度为1850HV，密度为6.62g/cm3。图2为本实施例中所得金属陶瓷的SEM照片。从图2中可知，烧结后的金属陶瓷形成较好的芯环结构(黑芯-白环，白芯-灰环结构)，白芯灰环的出现有利于其力学性能的综合提高。
实施例3
1.按照60wt％的TiC0.7N0.3，15wt％的WC，7wt％的Ni，7wt％的Co，7wt％的Mo2C，4wt％的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C硬质合金球(YG8)，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨混料30小时。
2.将混合粉末放在温度为100℃的电热干燥箱中进行干燥处理12h，使粉末充分干燥，得混合粉末。
3.干燥后的混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒，通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。
4.将压制成型的毛坯放入SPS模具中，在温度1700℃进行烧结并保温5min即可制成金属陶瓷。
性能测试：所得金属陶瓷的抗弯强度为2182MPa，维氏硬度为1900HV，密度为6.63g/cm3。图3为本实施例中所得金属陶瓷的SEM照片。从图3中可知，烧结后的金属陶瓷形成较好的芯环结构(黑芯-白环，白芯-灰环结构)，白芯灰环的出现有利于其力学性能的综合提高。
实施例4
1.按照58wt％的TiC0.7N0.3，17wt％的WC，7wt％的Ni，7wt％的Co，7wt％的Mo2C，4wt％的NbC进行配粉，将直径10mm的WC-C硬质合金球(YG8)，再加入适量无水乙醇，采用行星式球磨机，在球磨机上对混合粉末进行球磨混料30小时。
2.将混合粉末放在温度为100℃的电热干燥箱中进行干燥处理12h，使粉末充分干燥。
3.干燥后的混合粉末中加入聚乙烯醇粉末成型剂进行造粒，通过造粒来提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。
4.将压制成型的毛坯放入SPS模具中，在温度1700℃进行烧结并保温5min，制得金属陶瓷。
性能测试：所得金属陶瓷的抗弯强度为2182MPa，维氏硬度为1820HV，密度为6.69g/cm3。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述金属陶瓷是将TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC混合后，加入WC硬质合金球和无水乙醇进行球磨；将混合后的浆料放在80~100℃干燥，加入成型剂聚乙烯醇进行造粒，将造粒后的粉末预压成型，采用等离子烧结，施加25~30MPa的压力，升温至1700~1800℃进行烧结制得；所述TiC0.7N0.3和WC的质量比为（55~60）:（15~20）；所述Ni，Co，Mo2C和NbC的质量比为7:7:8:6或者7:7:7:4；所述金属陶瓷的抗弯强度为2240~2315MPa，维氏硬度为1850~1950HV，密度为6.75~6.79g/cm3。
2.根据权利要求1所述的高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述TiC0.7N0.3的粒径为0.5~1μm，所述WC、Ni、Co、Mo2C和NbC的粒径均为1~3μm。
3.根据权利要求1所述的高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC的总质量、WC硬质合金球和无水乙醇的质量比为1：（5~8）:（3~5）。
4.根据权利要求1所述的高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述球磨的时间为24~36h。
5.根据权利要求1所述的高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述升温的速率为100~200℃/min。
6.根据权利要求1所述的高硬度和高韧性的金属陶瓷，其特征在于，所述烧结的时间为2~5 min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高硬度和高韧性的金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1. 将TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC混合后，加入WC硬质合金球和无水乙醇进行球磨，得混合浆料；
S2. 将混合浆料放在80~100℃进行干燥，加入成型剂聚乙烯醇进行造粒，将造粒后的粉末预压成型；
S3. 采用等离子烧结，施加25~30MPa的压力，升温至1700~1800℃进行烧结，制得高硬度和高韧性的金属陶瓷。
8.权利要求1~6任一项所述高硬度和高韧性的金属陶瓷在刀具切削领域中的应用。
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