[发明专利]金属陶瓷材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于用粉末冶金方法生产制造金属陶瓷材料，特别涉及一种适用于制造金属切削工具、耐磨零件的金属陶瓷及其制造方法，该金属陶瓷的晶粒度结构受到严格控制，从而具有优异的耐磨性和抗裂性。具体而言，本发明涉及一种TiC及/或Ti(C,N) 基金属陶瓷，以Ti、W、Mo、Ta、Nb、Cr、V、Zr等过渡族金属元素的碳化物、或碳氮化物固溶体为硬质相，以Co、Ni、Fe金属为粘结剂，晶粒度结构受到严格控制的金属陶瓷材料及其制造方法。

背景技术

TiC基金属陶瓷是一种出现在上世纪20年代末并于50年代末初步实用化的硬质合金材料。70年代初奥地利Kieffer教授在TiC基金属陶瓷的基础上引入TiN/Ti(C,N)而发明了Ti(C,N)基金属陶瓷，使得金属陶瓷的商业化得到进一步扩大。由于金属陶瓷密度低，化学稳定性和抗高温氧化性能好，与钢无亲和性，对钢的摩擦系数小，且硬度和耐热性优于WC-Co硬质合金等特性。金属陶瓷非常适合用于制作金属切削刀具，耐磨，耐高温及耐腐蚀零部件。金属陶瓷切削刀具尤其适合于铸铁、碳钢和高强度钢的高速、干式切削加工，尤其是精加工和半精加工。

虽然经过近一个世纪的研究和发展，应用领域也不断扩大，但金属陶瓷仍然存在强韧性偏低的问题。各国研究者采用了各种方法来改善金属陶瓷的韧性。综合分析相关文献资料可以发现，在上世纪90年代末以前，改善金属陶瓷韧性的方法主要集中在通过添加多种成分并不断优化成分配比来达到目的，采用这些方法制备的金属陶瓷较有效地满足了一些特定的使用要求；从上世纪末起，各国研究者的研究开始转向通过调控合金的组织结构，制备具有特殊结构的金属陶瓷来提高其韧性和综合性能，进一步提高了金属陶瓷材料的适用性，扩大了应用领域。如美国专利 US 5421851 公布了一种具有双晶粒结构（双峰结构）的金属陶瓷，通过将两种粒径的硬质相晶粒，均匀弥散分布在粘结相中，从而改善金属陶瓷的韧性；美国专利 US 5939651 公布了一种具有两种类型的硬质相晶粒的金属陶瓷，一种晶粒具有细小的芯核(core),粗厚的环形相（surrounding-phase）,另一种具有粗大的芯核（core），细薄的环形相（surrounding-phase），将两种硬质相弥散分布，如此便在不降低耐磨性的前提下，提高了韧性；中国专利CN 1020406823A 公布一种具有四种类型硬质相晶粒的金属陶瓷，四种不同组成和形态的晶粒按一定比例存在时，金属陶瓷显示出高耐磨性和较高的抗破裂性及耐焊接性。

本发明的目的是提供一种具有高耐磨和高韧性的金属陶瓷材料。本发明的另一个目的是提供一种制备高耐磨和高韧性金属陶瓷的方法。本发明更进一步的目的是提供由这种金属陶瓷材料制备的切削工具和零部件。

本发明人惊奇地发现，当金属陶瓷的硬质相晶粒度结构及分布控制在特定范围内时，金属陶瓷便表现出更高的韧性和耐磨性，且通过调整晶粒尺寸及分布很容易调节硬度和韧性以满足不同的使用要求。基于上述发现，本发明关键在于通过特殊的工艺方法控制了硬质相晶粒度结构及分布。本发明的具体解决方案如下描述。

本发明的金属陶瓷材料，包含60~94 wt.%（优选66~92 wt.%，特别是80~92 wt.%）的硬质相，其余为粘结金属相及不可避免的杂质元素其浓度为百万分之一（ppm）数量级。

所述的硬质相是由TiC，TiN或Ti(C,N)粉末与元素周期表中过渡族金属元素W、Mo、Ta、Nb、Cr、V、Zr等一种或多种金属的单质、碳化物、氮化物或碳氮化物粉末通过烧结后形成的碳化物固溶体或碳氮化物固溶体相。其中主硬质相TiC，TiN或Ti(C,N)含量为硬质相成分总量的60%-100%（优选为69%-83%）。

所述的粘结金属相是主要由Fe族元素的一种或多种，同时固溶C，N及过渡族金属元素而形成的合金相，其含量为6~40 wt.%（优选8~34 wt.% 特别是8~20 wt.%）。