專利名稱：一種金屬陶瓷切削工具材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械加工和粉末冶金領(lǐng)域，具體涉及一種基于粒徑優(yōu)化組合方式的金屬陶瓷切削工具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
Ti (C，N)基金屬陶瓷刀具因具有較高的硬度、耐磨性、紅硬性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性以及極低的摩擦系數(shù)而受到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注，主要應(yīng)用于鋼材和鑄鐵的高速精加工。Ti (C，N)基金屬陶瓷已顯示了其作為傳統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金的升級(jí)替代材料的巨大潛力。其高溫硬度優(yōu)于高速鋼和WC基硬質(zhì)合金，韌性優(yōu)于陶瓷和超硬材料刀具，在加工范圍上也剛好填補(bǔ)了 WC基硬質(zhì)合金刀具與陶瓷刀具之間的空白。近年來我國(guó)有關(guān)部門也投入大量力量并已研制出一些牌號(hào)的Ti (C，N)基金屬陶1瓷刀具，其產(chǎn)品在切削領(lǐng)域可以部分取代YG8、YT15等硬質(zhì)合金刀具。但國(guó)內(nèi)的硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具的生產(chǎn)狀況不容樂觀，表現(xiàn)出來的特征是生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定，無法與進(jìn)口刀片相媲美。中國(guó)市場(chǎng)上正在試用的金屬陶瓷刀具的綜合性能明顯低于日本市場(chǎng)上常用的金屬陶瓷刀具的性能，且產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，特別是強(qiáng)韌性較差，因此金屬陶瓷刀具基本上沒有得到實(shí)際應(yīng)用。目前中國(guó)刀具市場(chǎng)上大部分高檔刀具均依賴進(jìn)口，而進(jìn)口刀具的成本相當(dāng)昂貴,甚至還得配套進(jìn)口機(jī)床,這使工件加工的成本大大增加。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有已公開專利技術(shù)皆公布了具有表面硬度> 92.0HRA，抗彎強(qiáng)度^ 2000Mpa的金屬陶瓷切削工具材料的制備技術(shù)，但其制備技術(shù)大多過于繁復(fù)，過程控制難度較大，難于制備出穩(wěn)定的高性能燒結(jié)體，實(shí)際所制備燒結(jié)體均勻性較差。且目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上也未見穩(wěn)定的高性能國(guó)產(chǎn)的Ti (C，N)基金屬陶瓷產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種良品率高、質(zhì)量穩(wěn)定、綜合性能好的金屬陶瓷切削工具材料及其制備方法。本發(fā)明采用這樣的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明一種金屬陶瓷切削工具材料，由以下各組分原始粉末制成=Ti (C，N)-Ni-Mo-WC-Cr2C3-C,各個(gè)組分的添加量按照重量百分比計(jì)為Ni 13% 22%, Mo 10%"16%, Cr2C3 ^ I. 0%, C O. 8% 1.5%, WC 5% 12%，其余為 Ti (C，N)；其中，原始粉末中各組分顆粒的粒徑采用優(yōu)化組合方式配比，各組分粉末顆粒按其粒徑分布范圍不同可以分為兩級(jí)分布或三級(jí)分布；進(jìn)一步，所述三級(jí)分布為，原始粉末中各組分顆粒的粒徑分布范圍為2^3um, Γ1. 5um, O. Γθ· 8um，各組分中各級(jí)粒徑分布范圍的顆粒在該組分中的重量百分比分別為50% 65%，25% 40%，10% 25% ；進(jìn)一步，所述原始粉末中，C、N原子比為2· 5^3. 2，Mo/(Mo+Ni) =0. 2(Πλ 35。一種金屬陶瓷切削工具材料的制備方法，包含以下步驟步驟一，配料
將原始粉末按照各組分的重量比，以粒徑優(yōu)化組合方式配制混合粉，用常規(guī)的混料方法將混合粉在球磨罐內(nèi)采用濕混工藝充分混合，干燥后得混合料。步驟二，成型將步驟一中獲得的混合料在模具內(nèi)壓制成形，壓制壓力為15(T200Mpa。步驟三，燒結(jié)設(shè)定燒結(jié)升溫曲線，將步驟二獲得的壓坯采用先期高真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍低壓燒結(jié)的方法燒制成型，在燒結(jié)溫度以下采用高真空燒結(jié)，在燒結(jié)溫度區(qū)間內(nèi)采用低壓燒結(jié)。步驟四，冷卻
燒結(jié)完成后將材料冷卻至室溫。其中，所述步驟三的燒結(jié)過程為在400°C以下，真空度保持在l(TlO_2Pa之間，以保證試樣中所含的水分和酒精等有機(jī)物的有效揮發(fā)；溫度高于400°C 1400°C，真空度保持在IO-2KT3Pa,便于試樣在液相出現(xiàn)前，氣體盡可能地?fù)]發(fā)、排除，有利于后續(xù)燒結(jié)時(shí)材料致密度的提高；燒結(jié)溫度在1400°C 1450°C區(qū)間，采用低壓燒結(jié)方式，所充氣體為氬氣，氣壓為4 5MPa，進(jìn)一步提高燒結(jié)體的致密度；進(jìn)一步，為提高燒結(jié)效率和降低燒結(jié)試樣的內(nèi)應(yīng)力，防止試樣彎曲開裂，所述步驟四的冷卻方式，在145(Tl050°C溫度區(qū)間采用快冷-緩冷-快冷-爐冷相結(jié)合的方式；首先快冷，冷卻速度5 9°C /min，冷卻l(T20min ;緩冷，冷卻速度2 O. 5°C /min，冷卻45 180min ；再快冷，冷卻速度15 25°C /min，冷卻8 15min ; 1050°C以后為爐冷。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案具有以下有益效果混合料原始粉末的粒徑優(yōu)化組合，有利于提高坯體的壓實(shí)密度；先期高真空燒結(jié)、燒結(jié)溫度范圍低壓燒結(jié)，所制備出的燒結(jié)體材料致密無氣孔，其組織為硬質(zhì)相成網(wǎng)狀骨架連接，硬質(zhì)相顆粒具有芯殼結(jié)構(gòu)(圖4);再采用快冷緩冷和爐冷相結(jié)合的控制冷卻工藝，獲得了具有較高的硬度和韌性的匹配組合性能的勻質(zhì)基體材料；該燒結(jié)體材料密度為6. 4^6. 6g/cm2,硬度為92. Γ92. 8HRA,抗彎強(qiáng)度為200(T2700Mpa ;且制備過程容易控制，燒結(jié)體質(zhì)量穩(wěn)定，良率穩(wěn)定在95%以上，可很好的適用于切削工具材料，各類模具材料，及其它相關(guān)需求制品用途。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的成型壓制曲線。圖2為本發(fā)明實(shí)施例燒結(jié)工藝及真空度曲線圖。圖3為本發(fā)明金屬陶瓷切削工具材料的金相組織結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的金屬陶瓷切削工具材料的微觀組織結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，并不將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之內(nèi)。實(shí)施例廣9的配料方案采用本發(fā)明中原始粉末組成方案(表I)和各組分粒徑優(yōu)化組合方案(表2)進(jìn)行。配料完成后，采用常規(guī)的濕混工藝在混料罐內(nèi)充分混合，干燥后得制成粉。在一定的壓力(160Mpa)下壓制成形，壓制曲線如圖I所示。壓坯放入真空爐內(nèi)進(jìn)行先期高真空燒結(jié)，在400°C以下，真空度保持在l(TlO_2Pa之間，溫度在400°C 1400°C，真空度保持在10_210_3Pa，然后沖入氬氣進(jìn)行低壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度列于表3中，燒結(jié)時(shí)間I小時(shí)，氣體壓力為4MPa，燒結(jié)工藝如圖2所示。燒結(jié)完成后，降溫階段設(shè)置在溫度區(qū)間1420°C 1050°C為控制冷卻階段，采取先快冷后緩冷、再快冷的方法，第一階段快速冷卻速度rc /min，冷卻至1330°C，緩冷冷卻速度1°C /min，冷卻至1240°C，第二階段快冷冷卻速度21。。/min，冷卻至10500C ;然后爐冷。每個(gè)實(shí)施例隨機(jī)選取10個(gè)樣品進(jìn)行性能測(cè)試，所得燒結(jié)體性能指標(biāo)如表3所示。由表3可以看出，采用本發(fā)明技術(shù)方案獲得的金屬陶瓷切削工具材料燒結(jié)體硬度均在92HRA以上，抗彎強(qiáng)度均在2000Mpa以上，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性非常好，偏差很小。每個(gè)實(shí)施例隨機(jī)選取2 3個(gè)樣品進(jìn)行金相和SEM組織測(cè)試，可以看出燒結(jié)體致密無明顯氣孔，燒結(jié)體的組織為硬質(zhì)相成網(wǎng)狀骨架連接，硬質(zhì)相顆粒具有芯殼結(jié)構(gòu)。其中實(shí)施例I樣品的金相組織和微觀組織結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。 表I金屬陶瓷切削工具材料原始粉末組成方案
成分組原始粉末各組分所占― 量比(wt%)原始粉末中原子比
_Ti(C’N) Ni Mo WC Cr;C.； C_C: N MoZ(Mo-Ni)
成分組 I 剩余 22 11 8.9 0.6 1.5 2.94:1 0.23 成分組 2 剩余 19.5 11 8.9 0.6 1.5 2.92:1 0,26 成分組 3 剩余 18 10 8.9 0.6 1.52.91:1_0-25表2原始粉末中各組分粒徑優(yōu)化組合方案
粒徑組合I粒社組合2粒社組合3
粒徑范圍
(wt%)(wt%)(wt%)2-3腦5060551-1.5 urn 30 30 30
0.4—0.8um201015表3本發(fā)明金屬陶瓷切削工具材料燒結(jié)體的性能測(cè)試結(jié)果成分粒彳 優(yōu)化>Κ制力ftiK燒結(jié)溫液相燒結(jié)燒結(jié)體硬度燒結(jié)體抗彎
劣施例
__組合fMpa)時(shí)間s度1^溫度加壓 HRA強(qiáng)度Mpa
I:施例 I 成分組 2粒衿組合 I1602014304MPa92.3, σ=0.072300, σ=28.3
劣施例 2 成分纟H 2粒徑#1 合 2I602014204MPa92.4, σ=0.072240, σ=35.4
實(shí)施例 3 成分組 2粒徑組合 31602014104MPa92.5, σ=0.0942190, σ=42.4
實(shí)施例 4 成分組1粒徑組合 I1602014204MPa92.1,σ=0.072670. σ=25.6
實(shí)施例 5 成分組 I粒徑組合 21602014304MPa92.3, σ=0.072480, σ=30.4 實(shí)施例 6 成分組 I粒徑組合 31602014104MPa92,2, σ=0.072550, σ=47.8
實(shí)施例 7 成分組 3粒徑組合 I1602014104MPa92.4, σ=0.072230, σ=28.3
實(shí)施例 8 成分組 3粒徑 P)合 2ItO2014304MPa92.8,σ=0.1142130, σ=67.5
實(shí)施例 9 成分組3粒徑組合 31602014204MPa92,6, σ=0.072260,σ=69,1實(shí)施例I、分3批3爐次進(jìn)行了燒結(jié)，標(biāo)記為爐次廣3，每個(gè)爐次的燒結(jié)溫度與表3對(duì)應(yīng)。為了測(cè)試本發(fā)明金屬陶瓷切削工具材料性能的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)重現(xiàn)性，將實(shí)施例Γ9的實(shí)驗(yàn)過程重復(fù)進(jìn)行兩批次，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為實(shí)施例I’和實(shí)施例1”、”，燒結(jié)爐次分別標(biāo)記為爐次4飛和爐次7 9，按照爐次順序，將各實(shí)施例按爐次的性能分布列于表4中。由表4可以看出，采用本發(fā)明技術(shù)方案獲得的金屬陶瓷切削工具材料，其性能參數(shù)指標(biāo)具有良好的再現(xiàn)性，說明燒結(jié)體質(zhì)量穩(wěn)定，良品率高。表4燒結(jié)體的爐次性能分布

權(quán)利要求
1.一種金屬陶瓷切削工具材料，由以下各組分原始粉末制成 Ti (C，N)-Ni-Mo-WC-Cr2C3-C,各個(gè)組分的添加量按照重量百分比計(jì)為Ni13% 22%, Mo 10%"16%, Cr2C3 ( I. 0%, C O. 8% 1· 5%, WC 5% 12%，其余為 Ti (C，N)，其特征在于所述原始粉末中各組分顆粒的粒徑采用優(yōu)化組合方式配比，各組分粉末顆粒按其粒徑分布范圍不同分為三級(jí)分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種金屬陶瓷切削工具材料，其特征在于所述三級(jí)分布為，原始粉末中各組分顆粒的粒徑分布范圍為2 3um, I"!. 5um, O. 4"O. 8um,各組分中各級(jí)粒徑分布范圍的顆粒在該組分中的重量百分比分別為50% 65%，25% 40%，10% 25%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種金屬陶瓷切削工具材料，其特征在于所述原始粉末中，C、N 原子比為2. 5 3. 2, Mo/(Mo+Ni)=0. 20 0· 35。
4.一種制備如權(quán)利要求I所述的金屬陶瓷切削工具材料的方法，其特征在于依次包含以下步驟 (1)配料 將原始粉末按照各組分的重量比，以粒徑優(yōu)化組合方式配制混合粉，用常規(guī)的混料方法將混合粉在球磨罐內(nèi)采用濕混工藝充分混合，干燥后得制成混合料； (2)成型 將步驟(I)中獲得的混合料在模具內(nèi)壓制成形，壓制壓力為15(T200Mpa ； (3)燒結(jié) 設(shè)定燒結(jié)升溫曲線，將步驟(2)獲得的壓坯采用先期高真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍進(jìn)行低壓燒結(jié)的方式燒制成型，在燒結(jié)溫度以下采用高真空燒結(jié)，在燒結(jié)溫度區(qū)間內(nèi)采用低壓燒結(jié)； (4)冷卻 燒結(jié)完成后將材料冷卻至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備金屬陶瓷切削工具材料的方法，其特征在于所述燒結(jié)過程中，溫度在400°C以下時(shí)，真空度保持在KTlO-2Pa之間；溫度在400°C 1400°C之間時(shí)，真空度保持在10_，10_3Pa ;溫度在1400°C 1450°C的燒結(jié)溫度區(qū)間時(shí)，采用低壓燒結(jié)方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備金屬陶瓷切削工具材料的方法，其特征在于所述低壓燒結(jié)過程中充入的氣體為氬氣，氣壓為4 5MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備金屬陶瓷切削工具材料的方法，其特征在于所述冷卻在145(Tl050°C溫度區(qū)間內(nèi)采用快冷-緩冷-快冷-爐冷相結(jié)合的方式；首先快冷，冷卻速度5 9°C /min,冷卻l(T20min ;緩冷，冷卻速度2 O. 5°C /min,冷卻45 180min ;再快冷，冷卻速度15 25°C /min，冷卻8 15min ; 1050°C以后為爐冷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬陶瓷切削工具材料及其制備方法，由以下各組分原始粉末制成Ti(C,N)-Ni-Mo-WC-Cr2C3-C，各個(gè)組分的添加量按照重量百分比計(jì)為Ni13%~22%，Mo10%~16%，Cr2C3≤1.0%，C0.8%~1.5%，WC5%~12%，其余為Ti(C,N)，所述金屬陶瓷切削工具材料原始粉末中各組分顆粒的粒徑采用優(yōu)化組合方式配比，制備過程中采用先期高真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍進(jìn)行低壓燒的方式燒制成型。通過本發(fā)明能夠獲得良品率高、質(zhì)量穩(wěn)定、綜合性能好的金屬陶瓷切削工具材料。
文檔編號(hào)C22C30/00GK102828096SQ20121034751
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者張大勇, 石增敏 申請(qǐng)人:天津瑞克曼德科技發(fā)展有限公司