[发明专利]一种多元复合Ti(C,N)金属陶瓷及其制备方法

说明书

本发明提供了一种多元复合Ti(C,N)金属陶瓷的制备方法，包括：A)将Ti源、M源和碳源，以及镍源和/或钴源混合、球磨得到活化原料粉体；所述M为Mo、W、Ta、Nb、V、Cr、La和Y中的任意一种或几种；B)将制备的活化原料粉体进行放电等离子原位碳热还原反应和烧结，得到多元复合Ti(C,N)金属陶瓷。本发明首先利用机械球磨对金属氧化物原料进行预处理，获得均匀混合的原料细粉，再利用放电等离子技术，以活化粉体为原料，直接快速反应烧结得到金属陶瓷材料。本发明省略了金属陶瓷原料粉体需预先分别制备及金属陶瓷烧结前原料粉体需预先成型两个步骤，降低了原料成本和能源消耗，缩短和简化了金属陶瓷制备工艺流程。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种多元复合Ti(C,N)金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷具有高熔点、高硬度、良好的导热率、化学稳定性以及耐磨性等优点，比较适合用作工模具材料。目前Ti(C,N)基金属陶瓷最重要的应用领域是金属切削过程中的精加工，已经成功地应用于高强度钢与铸铁等的高速切削。与传统的WC-Co硬质合金刀具相比，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具不仅能够提高表面加工精度，还能够确保工件的尺寸精度和公差控制。

Ti(C,N)金属陶瓷的主要成分是Ti(C,N)硬质相，以及Ni或Co或Ni/Co粘结相。同时，一般还需添加WC、Mo₂C、TaC、NbC等二次碳化物到金属陶瓷中，因而形成独特的“芯-环”结构，其中环形相可以改善相间润湿性，进而改善金属陶瓷强韧性。不过，二次碳化物的加入量很难精确控制，一旦碳化物的添加量偏多，残留的碳化物与粘结相的润湿性相对较差，再加上多相烧结时复杂的物理化学变化和由此引起的界面应力以及成分偏聚等对性能的影响存在，最终会导致金属陶瓷材料的综合性能下降。

Ti(C,N)金属陶瓷的常规制备流程是：首先，通过各种方法制备Ti(C,N)、TiC、TiN，以及各种二次碳化物粉体；接下来，将硬质相及粘结相原料粉体按一定成分比例配料、混料和成型；最后，将成型后的坯体经过真空烧结制得金属陶瓷材料。传统方法中金属陶瓷原料粉体的合成、粉体的成型及粉体的烧结分开进行，不但增加了原料成本和能源消耗，而且具有较长的、复杂的工艺流程，增大了金属陶瓷界面污染的危险，从而不利于金属陶瓷材料性能的提高。

近年来，受Ti(C,N)金属陶瓷的韧性改善与环相复合Ti(C,N)固溶体密切相关启发，一种主要由复合Ti(C,N)固溶体和粘结相构成的新型复合Ti(C,N)金属陶瓷的研究开始受到重视。其制备方法一般包括两个步骤：首先，通过各种方法合成复合Ti(C,N)固溶体粉体；接下来，通过常规烧结法，对添加二次碳化物和金属粘结相的Ti(C,N)复合固溶体进行成型和烧结，最终制得复合Ti(C,N)金属陶瓷。该方法虽然能更好地控制第二类碳化物加入量，减少芯相/环形相界面的数量和多相烧结过程中引起的界面应力和成分偏聚等对性能的不利影响，一定程度提高金属陶瓷的韧性，但还是属于传统方法的范畴，未根本改变金属陶瓷制备过程中存在的明显问题。

因此，在不降低金属陶瓷材料性能的前提下，如何通过优化和创新金属陶瓷原料粉体的合成、成型和烧结等工序，以达到减少原料成本和降低能源消耗，以及简化缩短工艺流程等目的，这在Ti(C,N)金属陶瓷的制备技术领域具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多元复合Ti(C,N)金属陶瓷及其制备方法，可以直接由金属氧化物粉体原位反应和烧结而成。

本发明提供了一种多元复合Ti(C,N)金属陶瓷的制备方法，包括：

A)将Ti源、M源和碳源，以及镍源和/或钴源混合、球磨得到活化原料粉体；所述M为Mo、W、Ta、Nb、V、Cr、La和Y中的任意一种或几种；

B)将制备的活化原料粉体进行放电等离子原位碳热还原反应和烧结，得到多元复合Ti(C,N)金属陶瓷。