[发明专利]纳米碳化硼和氮化硼复合增强碳氮化钛基金属陶瓷材料及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及金属陶瓷材料及其制备技术，尤其是一种纳米碳化硼和氮化硼颗粒复合增强碳氮化钛（Ti（C,N））基金属陶瓷材料及其制备工艺。

背景技术

碳氮化钛基金属陶瓷（Ti（C,N））是在二十世纪70年代初发展起来的，以Ti（C,N）为主要硬质相和以镍、钼为粘结相组成的，采用粉末冶金工艺制备而成的新型刀具材料。碳氮化钛基金属陶瓷具有较高的硬度，较好的耐磨性，理想的抗月牙洼磨损能力，优良的抗氧化能力和化学稳定性。其与传统的WC硬质合金相比，硬度与硬质合金相同的情况下，其密度只有硬质合金的一半，成本较低，使用寿命相同的情况下，其具有更高的切削速度与更好的加工光洁度，在许多高速切削场合下，可以成功地取代WC-Co基硬质合金。在日本，碳氮化钛基金属陶瓷在工具市场的占有量逐年升高，市场份额早已超过30%，美国和欧洲在此方面的研究和应用也急剧增多，显示了其作为传统的WC-Co基硬质合金的替代材料的巨大潜力。而国内，切削刀具仍多采用在高速切削条件下耐磨性低，寿命短的WC-Co基硬质合金或采用脆性大、成本高昂且切削时极易崩刃的陶瓷刀具（如三氧化二铝陶瓷、立方氮化硼、人造金刚石等）。目前，碳氮化钛基金属陶瓷的主要问题在于强韧性不足，虽然国内外通过如调整材料成份和采用先进制备技术等措施以提高其强韧性并使其性能得到一定程度的提高，而碳氮化钛基金属陶瓷应具有的优越性没有充分发挥，限制了其作为切削刀具材料更广泛的使用。

近年来出现了通过添加纳米材料（如纳米TiN、碳纳米管、SiC晶须等）并结合先进的烧结技术（如放电等离子烧结、微波烧结等）对传统金属陶瓷材料进行改性的新方法。吕学鹏等（吕学鹏，郑勇，吴鹏，碳纳米管添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和力学性能的影响[J]，中国有色金属学报，2011,21(001)：145-151.）研究了碳纳米管对金属陶瓷组织和性能的影响，当碳纳米管添加量为0.5wt.%时，Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度达到2180.7MP，硬度为90.9HRA，但存在制备工艺较复杂，成份不易分散均匀等问题，且未见其应用方面的报道。刘宁等（刘宁，张立德，李广海等，以纳米TiN改性的TiC或Ti(C,N)基金属陶瓷刀具、该刀具的制造工艺及刀具的使用方法，参见中国发明专利申请号02138161.5，申请日2004.02.25）提出了以纳米TiN改性的TiC或Ti（C,N）基金属陶瓷刀具，以提高其使用寿命，但金属陶瓷材料的强度、硬度等参数不详。周书助等（周书助，唐宏珲，张洁尧等，含硼的碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料及其制备工艺，参见中国发明申请号200810031010.6，申请日2008.09.03）提出了含硼的碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料，虽涉及提高了刀削速度及使用寿命，但金属陶瓷材料的强度、硬度等参数不详。丁燕鸿（丁燕鸿，SiC晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片及其制备方法，参见中国发明申请号200710034792.4，申请日2007.12.26）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不高于1700MPa，硬度HRA小于94.2，且因晶须不易混合均匀，对材料性能的提高有限。谷内俊之等（谷内俊之，福村昌史，高桥慧等，金属陶瓷制刀片及切削工具，参见中国发明申请号200680019833.6，申请日2006.06.13）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。刘 颖等（刘 颖，赵志伟，望 军等，碳氮化钛基金属陶瓷机械密封材料及其制备方法，参见中国发明申请号200710048643.3，申请日2007.03.16）提出了碳氮化钛基金属陶瓷机械密封材料，通过引入晶粒抑制剂、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。刘含莲等（刘含莲，石 强，黄传真等，原位一体化制备硼化钛晶须、颗粒协同增韧碳氮化钛基陶瓷刀具材料及其制备方法，参见中国发明申请号201110438733.X，申请日2011.12.23）采用原位一体化工艺制备出硼化钛增韧碳氮化钛基陶瓷刀具材料，通过对前驱体粉末进行有效的分散处理，提高增韧相在基体材料中的分散均匀性，以提高材料的硬度和断裂韧度。

发明内容

针对上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种以纳米碳化硼和氮化硼颗粒复合增强，以Ti(C,N)为主相，以镍、钴为粘结相的金属陶瓷材料及其制备工艺，其具有高硬度、高强度和高韧性且其制备工艺简单、适用于批量化生产的特点。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：