本发明属于ti(c,n)基金属陶瓷材料的制备，具体涉及一种高温抗氧化性的低粘结相ti(c，n)基金属陶瓷及其制备方法。
背景技术：
近年来，随着机床性能的提高，切削速度越来越快，切削温度也随之升高，切削刃附近温度可高达1000℃左右。在这种情况下刀具材料极易发生氧化，从而引起组织变化，导致刀具性能下降，甚至发生刀具刃口破断失效,高速切削要求切削刀具材料必须具备良好的抗高温氧化性能和高温力学性能。现有硬质合金刀具难以满足在更高切削速度和较大进刀量条件下工作的需求。ti(c,n)基金属陶瓷具有优良的高温稳定性，正逐步取代硬质合金应用于高速切削。因此，ti(c,n)基金属陶瓷抗高温氧化性能已成为决定其商业应用的重要因素。
ti(c,n)基金属陶瓷是以金属间化合物为硬质相、ni和co为粘结相的一类功能性结构材料。其优异的力学性能使得其在硬质合金的的比较中显得尤为突出，力学性能方面具有高硬度、高抗弯强度和好的耐磨性。高温下的特性有较高的抗氧化性和耐热性；而且在作为刀具进行切割的时候不易产生积屑；从综合性能来说金属陶瓷材料比硬质合金更胜一筹。
近年来，金属陶瓷，尤其是ti(c,n)基金属陶瓷用于切削工具材料取得了重大的突破，成为最具潜力代替wc-co的刀具材料。优越的耐磨性能以及高温稳定性不仅提高了刀具的使用寿命，还达到了提高刀具切削表面质量的效果。低粘结相(≤20％)的金属陶瓷具有较高硬度的同时兼顾了强度和断裂韧性，广泛地应用于车刀和铣刀中。然而，金属陶瓷的烧结工艺对其综合力学性能也起到了至关重要的作用。
因此对烧结气氛进行研究就体现的更加重要了，对ti(c,n)基金属陶瓷进行分压烧结主要是在其固相烧结阶段进行氩气氛烧结，并在冷却时采用快冷的方式，有利于其芯环相的生成，从而对力学性能稳定性控制具有一定的积极意义。本专利在合金还未完成致密化的固相烧结阶段进行气氛烧结实验，在固相烧结阶段分别采用真空、氩气气氛进行实验，液相阶段用氮气分压烧结营造氮气气氛，用来抑制氮的挥发，提高其致密性，对ti(c,n)基金属陶瓷质量稳定性控制具有一定的积极意义，同时还研究了mo元素和co的配比比例对其抗氧化性的影响。
技术实现要素：
本发明提供一种分压烧结的ti(c，n)基金属陶瓷，同时提供其原料配比和制备方法，目的在于使ti(c，n)基金属陶瓷不仅具有良好的力学性能，还具有优异的抗氧化性性能。
本发明的目的在于通过分压烧结克服现有低断裂韧性的金属陶瓷的不足，提供一种高温抗氧化性的低粘结相ti(c,n)基复合金属陶瓷制备方法，采用本发明的技术方案，制作出的刀具材料不仅具有良好的致密性，而且还具有高强韧性和抗高温氧化性，可应用于钢材的半精加工的切削刀具材料。
为达到上述目的，本发明的一种高温抗氧化性的低粘结相ti(c,n)基复合金属陶瓷制备方法，包括以下步骤：
(1)配粉：称取ti(c0.5n0.5)粉、wc粉、mo2c粉、co粉、ni粉、石墨与硬质合金球在无水乙醇中进行球磨得到料浆，经干燥、过至少80目筛得到粉末；所述原料的重量百分比为：ti(c0.5n0.5):35～65％，wc:15～35％，mo2c:10～15％，co:10～15％，ni:10～20％，石墨0.8～1.0％。步骤(1)中按料球比为1:5～1:7加入硬质合金球，大小硬质合金球以1：1混合，将混合的物料在行星球磨机上湿磨，转速设置为220r/min，设置正反转，正反转间隔时长25min，在球磨机上湿磨24～36h。
(2)压制：将干燥后放入粉末在压胚中，压制成型；压制成型过程中先在预压力为2000-2800n下压制，再在200mpa～220mpa下保压45～60s压制成型。
(3)分压烧结：将压制好的压胚置于加压烧结炉中分压烧结，真空度应小于5pa，炉温从室温加热至1200℃，然后升温至1200～1260℃进行低氩分压烧结，再升温1260～1350℃进行真空或低氩分压烧结，进一步升温至1350～1490℃进行氮分压烧结，1490℃进行氮分压烧结，并保温1～2h后冷却至室温得到高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷。
步骤(3)中所述各阶段升温速率为：常温～1200℃为3～8℃/min，1200～1260℃为1～3℃/min，1260～1350℃为1～3℃/min，1350～1490℃为2～3℃/min。其中，1200～1260℃、1260～1350℃阶段进行低氩分压烧结时，压力为300～400mbar。且在1350～1490℃进行氮气分压烧结时，压力为15～20mbar；1490℃进行氮分压烧结，压力为15～20mbar。
步骤(3)中，所述快冷至室温过程中，以8～10℃/min降温至1350℃，以5～7℃/min降温至1350℃1000℃；以1～2℃/min降温至室温。
步骤(5)中分压烧结工艺，主要是通过外加的惰性气体和给予的能量使得金属陶瓷材料在比较长的时间里逐渐达到致密，同时通过分压过程不断换气可以一直保持较高的真空度，可以将材料内部微小气孔里的气体排出，并达到控制晶体生长的作用，从而进一步获得致密性很好的ti(c,n)基复合金属陶瓷材料。
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种高温抗氧化性的低粘结相ti(c,n)基复合金属陶瓷制备方法，能制备获得结构均匀、良好致密性的ti(c,n)基复合金属陶瓷材料；对材料进行扫描电子显微(sem)析，孔隙率评定，可以发现本发明所得材料具有ti(c,n)基环芯结构，完整且结构分布均匀。
(2)本发明的一种高温抗氧化性的低粘结相ti(c,n)基复合金属陶瓷制备方法，制备的材料hv硬度达到1337～1564，断裂韧性达到9.7～11.7mpa·m1/2，抗弯强度达到1672～1864mpa，可以看出具有较高的强韧。；
(3)同时采用慢速分压烧结的方式，可制备高温抗氧化性更强的金属陶瓷。
附图说明
图1为编号10的ti(c,n)基金属陶瓷显微组织扫描电子显微镜(sem)背散射电子成像图片。
图2为实施例2样品的金相图，其中，(a)为编号1，(b)为编号3，(c)为编号5，(d)为编号9，(e)为编号11。
图3是本发明实施例1中制备的ti(c,n)基复合金属陶瓷材料的扫描电子显微镜(sem)照片，其中，(a)为编号1，(b)为编号3，(c)为编号5，(d)为编号9，(e)为编号11。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是这些实施例仅用于对本发明进行说明而非限制本发明的范围。
实施例1
按表一成分比例称重各原料粉末制备不同成分的ti(c,n)基金属陶瓷，混置于球磨罐中，加入500g的硬质合金球和72ml的无水乙醇；在罐式球磨机上控制转速为220r/min球磨36h后，混料料浆过325目的筛子后倒出，置于75℃烘箱中烘干，将干燥的粉体过60目的筛子后待用。按刀具形状取上述适量粉体置于合金磨具中干压100mpa，后置于真空烧结炉中烧结，烧结条件见表二，之后进行冷却，冷却过程中以降温速度为10℃/min自1490℃降温至1350℃，降温速度为7℃/min自1350降温至1000℃，降温速度为1℃/min自1000降至室温，得到高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷。固相烧结和液相烧结过程如表二所示：
表一ti(c,n)基金属陶瓷成分
表二ti(c,n)基金属陶瓷分压烧结工艺
烧结试样横向断裂强度(trs)测定参照gb/t3851-1983《硬质合金横向断裂强度测定方法》，维氏硬度(hv)测定参照gb7997-1987《硬质合金维氏硬度试验方法》，断裂韧性(k1c)测定参照bsiso28079-2009《hardmetals-palmqvisttoughnesstest》。将分压烧结制备的样品进行力学性能测试：如下表三所示
表三ti(c,n)基金属陶瓷力学性能和显微组织中粘结相的体积分数
通过表三中编号1，5，14的力学性能可以看出mo2c和co的添加对断裂韧性有提高的作用；从表三中编号3，8，9，10，11可以得出分压烧结对断裂韧性有较大程度的提高，其中编号10，11的性能更加优异，可见液相阶段进行氮气氛烧结有益于力学性能的提高。总体可以看出对于工艺ⅲ和ⅴ来说固相烧结ar气分压烧结对断裂韧性的提高有效果，另外搭配液相阶段进行氮气分压对力学性能的提高会更加明显，可见分压烧结对金属陶陶瓷的力学性能的提高很有大的指导意义。通过图3中的图(d)和图(e)可以看出分压烧结使微观组织更加均匀，环形相更加完整，对力学性能的提高也提供了有力佐证。图1是上述编号10的ti(c,n)基金属陶瓷显微组织扫描电子显微镜(sem)背散射电子成像图片，从图中可以看出显微组织中有黑芯相、内环相、外环项，白芯相、环形相和粘结相几种结构。表三中数据，粘结相体积分数基本都在12～15％之间，相较常见的25％以上的高粘结相来说，粘结相的体积占比较低。
实施例2
选取表四中编号为1、3、5、9、11样品进行高温氧化实验，通过用阿基米德原理对其密度进行测量，在显微镜下将抛光后的表面在40倍镜下进行拍照，用于孔隙率的评定。具体实验步骤为：将样品表面打磨抛光，将抛光后的样品放在铂丝网上，并放入电阻炉中进行1000℃的高温氧化，氧化10小时，氧化结束后，待样品冷却完成后，在精度为0.0001g的分析天平上进行称重，同时测量记录，实验完成后对其氧化增重的测量，如下表四所示：
表四样品的密度和氧化增重
试样烧结后现在砂轮上粗磨和金刚石磨盘精磨，再经过抛光，根据iso4505标准在光学显微镜下观察试样的孔隙率。孔隙率较大的试样，会导致金属陶瓷材料断裂过程中形成裂纹源，导致金属陶瓷抗弯强度和断裂韧性的下降。从表四和上图2金相图片(b)可以看出添加mo和co一定程度改善孔隙率，对抗氧化性也起到一定的作用；从表四和金相照片(d)(e)中可以看出，通过分压烧结制备的试样表面光洁，孔隙极少，可见其致密性得到了很大程度的提高，抗氧化性也表现的相当优异。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，实际的方法并不局限于此。尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
1.一种高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）配粉：称取ti(c0.5n0.5)粉、wc粉、mo2c粉、co粉、ni粉、石墨与硬质合金球在无水乙醇中进行球磨得到料浆，经干燥、过至少80目筛得到粉末；
（2）压制：将干燥后放入粉末在压胚中，压制成型；
（3）真空烧结：将压制好的压胚置于加压烧结炉中分压烧结，真空度小于5pa，炉温从室温加热至1200℃，然后升温至1200～1260℃进行低氩分压烧结，再升温1260～1350℃进行真空或低氩分压烧结，进一步升温至1350～1490℃进行氮分压烧结，1490℃进行氮分压烧结，并保温1～2h后冷却至室温得到高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷。
2.根据权利要求1所述的高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述原料的重量百分比为：ti(c0.5n0.5):35～65%，wc:15～35%，mo2c:10~15%，co:10～15%，ni:10～20%，石墨0.8～1.0%。
3.根据权利要求1所述的高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，压制成型过程中先在预压力为2000-2800n下压制，再在200mpa~220mpa下保压45~60s压制成型。
4.根据权利要求1所述的高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述各阶段升温速率为：常温～1200℃为3～8℃/min，1200～1260℃为1～3℃/min，1260～1350℃为1～3℃/min，1350～1490℃为2～3℃/min。
5.根据权利要求1所述的高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，1200～1260℃、1260～1350℃阶段进行低氩分压烧结时，压力为300~400mbar。
6.根据权利要求1所述的高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述在1350～1490℃进行氮气分压烧结时，压力为15~20mbar；1490℃进行氮分压烧结，压力为15~20mbar。
7.根据权利要求1所述的高温抗氧化性的低粘结相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述快冷至室温过程中，以8~10℃/min降温至1350℃，以5~7℃/min降温至1350℃1000℃；以1~2℃/min降温至室温。
技术总结