[发明专利]一种具有蜂窝状结构的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有蜂窝状结构的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法，其步骤为：首先以TiO₂、TiN和石墨粉为原料进行配料，得到混合料1；随后在所得混合料1的料浆中加入Ti(C,N)、Ni、Mo₂C、WC、Cr₃C₂、AlN和石墨粉，配制成质量分数为Ti：40.46～43.65，Ni：14.03～19.78，Mo：9.90～10.15，Cr：0.76～0.79，Al：0.46～0.49，W：4.94～5.06，O：5.76～7.02，C：11.59～13.17，N：5.92～6.07的混合料，所得浆料于90～110℃下在真空红外干燥箱中烘干，得到混合粉料2；烘干后的混合粉料2经过添加成型剂、压制成型、脱除成型剂和真空烧结等工序，得到具有蜂窝状结构的Ti(C,N)基金属陶瓷，其综合力学性能优良。该方法对生产设备无特殊要求，工艺简单，成本较低，有利于工业推广。

技术领域

本发明涉及一种具有蜂窝状结构的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

凭借着其优良的耐磨性、红硬性、化学稳定性、高温抗氧化性以及与金属间的摩擦系数低等优点，Ti(C,N)基金属陶瓷逐渐受到了工业领域的青睐。作为刀具，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具可以很好地适应高速高效干式切削，大大地提高了切削效率及使用寿命，同时还具有比于硬质合金更低的制造成本，Ti(C,N)基金属陶瓷已显示了其作为传统的WC-Co硬质合金的升级替代材料的巨大潜力。除了刀具领域，金属陶瓷材料在模具、耐磨件、密封件、航空航天、石油、采矿、汽车等领域也具有巨大的应用潜力。虽然金属陶瓷相比于硬质合金具有许多优点，但是其强韧性仍嫌不足，使得其理论上的优势并不能够得到很好的发挥。为了进一步提高金属陶瓷的强韧性，研究者们从工艺优化、成分优化、晶须、纳米相添加等多种途径进行了研究和尝试，使金属陶瓷的综合力学性能得到了一定的提高。但是与传统的硬质合金一样，金属陶瓷的耐磨性和强韧性之间存在着矛盾：耐磨性越高、强韧性越低，反之亦然。使得金属陶瓷很难满足在一些复杂、苛刻条件下的使用需求，因此大大地限制了Ti(C,N)基金属陶瓷的应用领域。

为了使得金属陶瓷在具有高硬度的同时，兼具良好的强韧性，一种硬质相晶粒尺寸呈双峰分布的混晶结构金属陶瓷近年来引起了人们的广泛关注，其结合了粗晶金属陶瓷的高强韧性和细晶金属陶瓷的高硬度，具有较好的综合力学性能。然而，在烧结过程中，由于该类Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织演变过程较为复杂，压坯中粗细颗粒随机分布，大部分细颗粒在液相烧结过程中会优先溶解，并在大颗粒表面析出长大，这也使得采用传统的制备方法难以使金属陶瓷达到理想的双峰分布特征。专利CN 109576545 B公开的“一种具有混晶结构的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法”，以及专利CN 113025861 A公开的“一种混晶Ti(C,N)基金属陶瓷材料及其制备方法”，所得金属陶瓷的综合力学性能虽然得到了一定程度上的提升，但是相比较于传统金属陶瓷来说，这两件专利公开的金属陶瓷硬度相对于原料为细晶粒的金属陶瓷更低，而断裂韧性相对于原料为粗晶粒的金属陶瓷更低。而在硬质合金领域，专利CN 101787479 A公布了“网状结构硬质合金及其制备方法”，该方法将不同钴含量的团粒料和浆料分别制备并混合，混合料经烧结后所得硬质合金的显微组织包含团粒与基体两种组织结构，含钴量较低的团粒贡献硬度与耐磨性，而含钴量相对较高的基体贡献强度与韧性，团粒与基体均匀复合在一起使网状结构硬质合金具备较优异的综合力学性能。但是该种方法制备出的网状硬质合金始终存在组织不致密的缺点，这主要是因为分别制备的团粒使得烧结过程中团粒/基体界面处会优先产生新生的孔洞，这一定程度上会促使原生孔洞扩大，烧结过程中液相不能完全填充这些较大的孔洞，最终使得团粒/基体界面处的孔隙度增大。(唐炜,杨树忠,张帆,等.团粒粒径组成对网状合金组织结构及物理/力学性能的影响[J].中国钨业,2020,35(6):39-49.)。

因此，如何制备出具有良好双峰分布且具有蜂窝状结构的均匀致密的Ti(C,N)基金属陶瓷，使其兼具高硬度和高强韧性尤为重要。

发明内容