一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法，属于金属陶瓷复合材料制造技术领域，所述金属陶瓷工具至少一个表面为单功能梯度层结构，同时至少一个表面为双功能梯度层结构；所述制备方法包括：称取各原料，湿磨，干燥，压制成坯体；烧结，得到金属陶瓷块；按照工具的使用要求，对金属陶瓷块中需要制备为单功能梯度层结构的表面进行处理；清洗后，进行热处理，得到所述金属陶瓷工具；本发明专利技术在一块Ti(C,N)基金属陶瓷材料上构建了具有高硬度、优异的抗氧化能力及耐磨性能的单功能梯度层的表面和具有高导热性、高韧性的双功能梯度层的表面，从而有效提高了刀具的切削精度和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法
本专利技术属于金属陶瓷复合材料制造
，具体涉及一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法。
技术介绍
Ti(C,N)基金属陶瓷作为一类钛系硬质合金，因其较钨钴硬质合金具有更高的红硬性，更好的抗氧化性和更强的耐磨性，被用于制造用于切削工具、耐磨零件的烧结体。并且因其优异的表面加工质量，常被应用于半精加工和精加工中。由于具有更优异的化学稳定性，通常不需要如钨钴硬质合金一般，采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)在Ti(C,N)基金属陶瓷表面上镀一层或多层的TiN、Al2O3或TiAlN涂层。然而，随着现代加工对工具的更高要求和更多难加工材料的出现，需要对Ti(C,N)基金属陶瓷工具的表面进行更多的优化。除了上述提到的涂层方法外，采用梯度烧结(Gradientsintering)的工艺在硬质合金或金属陶瓷表面构建功能梯度层也是提高工具切削寿命和切削精度的方法。而且，该工艺不会由于因为涂层和基体之间热膨胀系数不同，导致涂层和基体之间的应力集中，使得工具内部产生细微的缺陷，降低工具寿命。中国专利CN104044308A公开了一种由梯度烧结体和硬质包覆层构成的金属陶瓷工具，其中梯度烧结体的表面由外层的铁族元素(Fe，Co，Ni)富集层和内层的WC基硬质合金构成，芯部为TiCN基金属陶瓷基体。在工具的表面，还有Al2O3、Ti的碳氮化物镀膜作为氧化保护层，在最终的切削实验中，工具寿命整体理想，但仍出现了镀膜的开裂和磨损的现象，并且由于梯度烧结体表面为硬度较低的铁族元素富集层和WC基硬质合金，在镀膜磨损后，镀膜之下的梯度烧结层迅速剥落，后刀面磨损严重，刀具几何尺寸变化，导致加工精度骤降。在另一例中国专利CN200510094582中，专利技术人通过氮气氮化金属陶瓷烧结体的方法，在Ti(C,N)基金属陶瓷表面构建了一种功能梯度层，最终刀具的表面硬度较高。但是，由于其采用了纳米粉体作为原料，原料成本较高，而且其采用的6MPa以下压力的氮气，使得氮化时间有可能长达24小时，并且1100～1250℃的氮化温度会造成晶粒的二次长大，不利于对材料微观组织的优化。综上所述，该领域为数不多的公开文献显示，在Ti(C,N)基金属陶瓷表面通过梯度烧结构建功能梯度层的方法是有先例的，并且有证据显示这种方法对于提升刀具寿命有所帮助。但是，切削过程中的磨损机制十分复杂，以车削过程为例，前刀面、后刀面、刀片刃口的受力状态、磨损机理都不尽相同，对刀具各个几何表面的性能要求显然不同。若以期达到更佳的切削精度和刀具寿命，单一类型的功能梯度层显然无法满足日益严苛的加工条件。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法，针对切削工况对Ti(C,N)基金属陶瓷工具不同表面的要求，在工具的不同表面，如前刀面、后刀面上构建不同形态的功能梯度层，以应对相应的工况要求，来达到提升切削质量和工具寿命的目的。为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：本专利技术的技术方案之一：一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具，至少一个表面为单功能梯度层结构，同时至少一个表面为双功能梯度层结构；所述金属陶瓷工具的原料以质量百分比计，包括：其余为WC；元素N和元素C的质量比为0.6～0.8，元素Nb和元素Ta的质量比为0.5～1，元素Co和元素Ni的质量比为1～2。进一步地，所述Ti(C,N)的平均粒度为1.5～2.0μm，TiN的平均粒度为0.5～1.0μm，NbC、TaC及Mo2C的平均粒度为1.0～1.5μm，Co和Ni的平均粒度为0.5～1.0μm，VC和Cr3C2的平均粒度为0.5～1.0μm，WC的平均粒度为2.0～4.0μm。进一步地，所述单功能梯度层结构以高氮含量立方相金属碳氮化物固溶体为主，其含量高于金属陶瓷中的该类物质的名义含量；所述双功能梯度层结构的表层以非立方相的Co、Ni、WC为主，其中Co和Ni的含量之和高于金属陶瓷中的该类物质的名义含量；内层以高氮含量的立方相金属碳氮化物固溶体为主，其含量高于金属陶瓷中的该类物质的名义含量。进一步地，所述高氮含量立方相金属碳氮化物固溶体中氮元素的质量含量＞11％。进一步地，所述单功能梯度层结构的厚度为35～50μm，高氮含量立方相金属碳氮化物固溶体的质量含量为名义含量的150～200％，Co和Ni的质量含量之和为名义含量的80～100％；所述双功能梯度层结构中，表层的厚度为50～100μm，Co和Ni的质量含量之和为名义含量的110～150％；内层的厚度为35～50μm，高氮含量立方相金属碳氮化物固溶体的质量含量为名义含量的150～200％。本专利技术的技术方案之二：一种上述所述的金属陶瓷工具的制备方法，包括以下步骤：(1)按照质量百分比称取各原料，混合后进行湿磨，之后干燥，压制成坯体；(2)将步骤(1)所得坯体烧结，得到金属陶瓷块；(3)按照工具的使用要求，对步骤(2)所得的金属陶瓷块中需要制备为单功能梯度层结构的表面进行处理；(4)对步骤(3)处理得到的金属陶瓷块清洗后，进行热处理，得到所述金属陶瓷工具。进一步地，步骤(1)所述的湿磨时间为24～48h。进一步地，步骤(1)所述湿磨以聚乙烯醇为成型剂，所述压制为单向模压、双向模压或等静压中的一种，压制压力为150～300MPa。进一步地，步骤(1)所述干燥为烘箱干燥、真空干燥或喷雾干燥。进一步地，步骤(2)中所述烧结为液相烧结，在低于100Pa的真空环境下进行，烧结温度为1480～1510℃，烧结时间为1～2h。进一步地，步骤(3)中，所述经处理后的表面的粗糙度Ra≤1.25；所述处理的方式包括机械磨削、磁流体磨削、喷砂或电化学腐蚀。进一步地，步骤(4)所述清洗为超声波清洗。进一步地，步骤(4)中所述热处理在氮气气氛下进行，温度为1000～1200℃，压力为6～9.8MPa，时间为2～4h。本专利技术的机理为：(1)本专利技术的核心机理是不同原子和化学键在特定温度、压力、时间等动力学条件下达到的不同扩散和结合能力，具体表现为金属的扩散迁移、化学键的断裂与重组以及固溶体中溶质元素的固溶与脱溶。(2)在真空烧结阶段，由于真空和高温的作用，位于材料表层的Ti(C,N)优先部分分解，N元素向材料外部扩散，最终以气体的形式脱离材料，全程保持低于100Pa的真空度保证了这种“脱氮”现象持续进行。由于扩散偶的作用，Ti向相反方向扩散，并进入材料“芯部”，以固溶入其他面心立方相的形式富集。与此同时，由于浓度差的存在，液相的金属Co和Ni会更倾向于相表面流动。若液相以具有浓度分布的状态凝固，则形成Co和Ni富集层。在烧结过程中，TiN作为N元素的补充，缓解了材料整体因“脱氮”而造成的缺氮现象，这有利于材料耐磨性的提升；VC和Cr3C2起到了抑制晶粒长大的作用，有利于材料强度的提升。通过控制烧结温度和烧结时间，Co和Ni本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具，其特征在于，至少一个表面为单功能梯度层结构，同时至少一个表面为双功能梯度层结构；/n所述金属陶瓷工具的原料以质量百分比计，包括：/n

【技术特征摘要】
1.一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具，其特征在于，至少一个表面为单功能梯度层结构，同时至少一个表面为双功能梯度层结构；
所述金属陶瓷工具的原料以质量百分比计，包括：



其余为WC；
元素N和元素C的质量比为0.6～0.8，元素Nb和元素Ta的质量比为0.5～1，元素Co和元素Ni的质量比为1～2。


2.根据权利要求1所述的金属陶瓷工具，其特征在于，所述Ti(C,N)的平均粒度为1.5～2.0μm，TiN的平均粒度为0.5～1.0μm，NbC、TaC及Mo2C的平均粒度为1.0～1.5μm，Co和Ni的平均粒度为0.5～1.0μm，VC和Cr3C2的平均粒度为0.5～1.0μm，WC的平均粒度为2.0～4.0μm。


3.根据权利要求1所述的金属陶瓷工具，其特征在于，所述单功能梯度层结构以高氮含量立方相金属碳氮化物固溶体为主，其含量高于金属陶瓷中的该类物质的名义含量；所述双功能梯度层结构的表层以非立方相的Co、Ni、WC为主，其中Co和Ni的含量之和高于金属陶瓷中的该类物质的名义含量；内层以高氮含量的立方相金属碳氮化物固溶体为主，其含量高于金属陶瓷中的该类物质的名义含量。


4.根据权利要求3所述的金属陶瓷工具，其特征在于，所述单功能梯度层结构的厚度为35～50μm，高氮含量立方相金属碳氮化物固溶体的质量含量为名义含量的150～20...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，王博，王诗阳，蒋宗伯，南勋，
申请(专利权)人：嘉兴鸷锐新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33