[发明专利]一种纳米氮化硅和氮化硼增强的碳氮化钛基金属陶瓷材料

说明书

技术领域

本发明涉及金属陶瓷材料及制备技术，尤其是一种纳米氮化硅和氮化硼增强的碳氮化钛(Ti(C，N))基金属陶瓷材料及其制备。

背景技术

碳氮化钛(Ti(C，N))基金属陶瓷是在碳化钛(TiC)基金属陶瓷基础上发展起来的、以Ti(C，N)为主要硬质相，镍、钼为粘结相的刀具材料。其高硬度、高红硬性、高抗氧化性和耐蚀性、以及切削时高的抗粘着磨损和抗扩散磨损能力，特别适合钢和铸铁的半精加工和精加工。目前，国外该刀具材料的用量已占可转位刀具材料用量总量的10％～30％。而国内，切削刀具仍多用WC基硬质合金或陶瓷。传统的WC基硬质合金在高速切削碳钢和铸铁时，耐磨性低，寿命短；而陶瓷如Al₂O₃(三氧化二铝)、CBN(立方氮化硼)、人造金刚石等，因脆性大、成本昂贵，切削加工时易崩刃等缺点，限制了其在工业上的广泛使用。目前已有的TiC基金属陶瓷材料，虽硬度较高，但抗弯强度低，红硬性和抗氧化性和高温抗蠕变性差，无法满足高速切削的要求。而普通的Ti(C，N)基金属陶瓷材料存在孔多隙、低硬度、低抗弯强度和低韧性等缺点，严重影响了材料的使用寿命。

专利文献CN1974205A提出了表面包覆切削刀片及其制造方法，通过应用数十至数百微米Ti、Zr、Hf、Cr、Al、Si的一种的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及其复合化合物包覆于碳氮化钛基金属陶瓷基体来制造刀片，但基体材料的性能并未得到改善。CN1638900A中提出具有硬质包覆层的表面包覆切削工具构件和在切削工具表面上形成该硬质包覆层的方法，其中的包覆材料通过物理气相沉积形成钛的化合物，包覆层较薄，不利于提高整体材料抗弯强度。CN1477222A提出了以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，以提高金属陶瓷材料的使用寿命，金属陶瓷材料的强度、硬度等参数不详。CN101255512A提出了含硼的碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料，其中的硼是单质硼、二硼化钛、氮化硼、氧化硼中的一种或多种以原料形式添加后制备得到，虽然涉及提高了切削速度及使用寿命，但是金属陶瓷材料的强度、硬度等参数不详。CN101092304A提出了SiC晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷刀片，其陶瓷材料的抗弯强度低于1700MPa，硬度HAC≤94.2。因晶须直径为微米数量级且其长度范围较宽(10～40μm)，所以不利于混合均匀，对提高抗弯强度及耐磨性能作用有限。CN101189090A提出了金属陶瓷制刀片及切削工具，用碳化物提高金属陶瓷的耐磨性能。CN101265543A提出了碳氮化钛基金属陶瓷机械密封材料，通过起晶粒抑制剂、添加剂作用的碳化物及Y、Er，制备金属陶瓷材料，以提高其抗弯强度及硬度。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于提供一种添加纳米氮化硅和氮化硼增强相的以Ti(C，N)为主相、以金属镍、钴为粘结相的金属陶瓷材料及其制备方法，它具有高硬度、高强度和高韧性且制备工艺易于控制并适合大批量工业生产。

为了实现上述目的，本发明的解决方案如下：

一种纳米氮化硅和氮化硼增强的碳氮化钛基金属陶瓷材料，在以碳氮化钛Ti(C，N)为主相及金属镍、钴为粘结相的基材中添加增强相，所添加增强为纳米氮化硅和纳米氮化硼中至少一种，该增强相体积含量为基材0.5～2.5％

碳氮化钛[Ti(C，N)]主相原料为Ti(C_x，N_1-x)或(TiC)_x+(TiN)_1-x中至少一种碳氮化物，其中x数值范围为x＝0.3～0.7。

各组分及含量(重量百分含量)为：

WC  10～20wt％  TaC  5～15wt％   Mo₂C   5～15wt％   Co  5～15wt％

Ni  5～10wt％   ZrC  0.1～2wt％  Cr₃C₂  0.1～2wt％  VC  0.1～2wt％

Si₃N₄  1.8～8.9wt％或BN  1.1～5.7wt％或(Si₃N₄)_x+(BN)_1-x  1.1～6.8wt％

Ti(Cx，N_1-x)或(TiC)_x+(TiN)_1-x为余量。

各组分及含量(重量百分含量)为：