一种高弹性模量的金属陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及粉末冶金领域，特别涉及一种高弹性模量的金属陶瓷材料及其制备方法。该金属陶瓷材料组成相包括第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相和粘接相。所述第1硬质相为富W碳化物相，所述第2硬质相为W、Ti、Mo、Ta和/或Nb中两种或两种以上复合碳化物，所述第3种硬质相为富Ti的核壳结构碳化物。所述第3硬质相的芯核为富钛的碳氮化物，壳部为W、Ti、Mo、Ta和/或Nb中两种或两种以上复合碳氮化物。本发明专利技术所制备的金属陶瓷材料具有较高的弹性模量，可以解决单一富钛的碳氮化物核壳硬质相结构金属陶瓷材料弹性模量较低的问题。料弹性模量较低的问题。料弹性模量较低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高弹性模量的金属陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及机械加工和粉末冶金领域，具体涉及一种高弹性模量金属陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]Ti(C,N)基金属陶瓷具有较高的红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数、可“以车代磨”，在钢件的高速精加工等领域，具有极大的优势，且由于少含钨、钴具有世界性的战略意义。近年来，随数控车床等大型自动化切削设备的推广和计算机辅助控制，少切削、绿色切削、高速切削加工工艺的需求，促进了Ti(C,N)基金属陶瓷的快速发展。但与WC
‑
Co硬质合金相比，Ti(C,N)基金属陶瓷仍表现为韧性不足，低韧性限制了其在刀具行业的广泛应用。且国产金属陶瓷刀具的生产状况亦不容乐观，表现出来的特征是生产质量不稳定，无法与进口刀片相媲美。可见，提高金属陶瓷刀具的强韧性已成为金属陶瓷材料亟待突破的技术难点。
[0003]碳化物如WC，与Ti(C,N)的弹性模量值相差较大，是造成WC
‑
Co硬质合金和Ti(C,N)基金属陶瓷性能差异的主要因素之一。WC较高的弹性模量值使得WC
‑
Co合金混合料与Ti(C,N)金属陶瓷混合料相比，具有明显的高成形性。在粗加工过程中，WC
‑
Co抗冲击性能的表现较Ti(C,N)金属陶瓷亦更加优异。要改善并提高Ti(C,N)金属陶瓷刀具材料的成形性、生产质量稳定性及其刀具产品的抗冲击性能，进一步提高其烧结体材料的弹性模量值(杨氏模量值)则是有效途径之一。金属陶瓷烧结体的抗冲击性能、压缩与剪切强度等材料物理特征及弹性模量值与材料相组成、相分布和气孔率等有着直接关系。其中金属陶瓷烧结体材料的气孔率又直接决定于原材料组成、压坯工艺及其烧结制度。因此通过调节金属陶瓷烧结体的组织组成中的硬质相比例及种类，通过硬质相各组成相体积分数和分布调节其烧结体的弹性模量值和烧结致密度，由此获得具有高弹性模量值的金属陶瓷材料，有效提高金属陶瓷材料强韧性能，进一步推动金属陶瓷的推广应用。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种高弹性模量金属陶瓷材料及其制备方法。
[0005]本专利技术的方案：
[0006]一种高弹性模量的金属陶瓷材料，所述材料组成相包括第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相和粘接相，所述第1硬质相为碳化钨相，所述第2硬质相为W、Ti的复合碳化物相WTiC
x
(x＝1～2)，所述第3硬质相为Ti、W、Mo、Cr、Ta和/或Nb中两种或两种以上复合碳氮化物所形成的核壳结构碳化物相Ti1‑
y
Me
y
C
z
N1‑
z
(Me＝W,Mo,Cr,Ta,Nb；y≤0.25；z＝0.5～1)；所述第3硬质相核壳结构的黑芯中y≤0.08，z＝0.5～0.8，灰芯或壳部中y≤0.25；z＝0.9～1；粘结相为CoCrNi合金。
[0007]优选地，所述材料的烧结体内第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相和粘接相的体积分数分别为：25～35％，25～40％，25～35％，5～8％；各相体积分数之和为100％。
[0008]优选地，所述金属陶瓷材料的弹性模量值(E)在540～600GPa区间，可通过结构组成中3种硬质相体积分数比例进行调控；且烧结体的弹性模量值与各相体积分数(V
i
)之间满足混合物原则：
[0009][0010]式中，E
i
为各相的理论弹性模量值。
[0011]优选地，所述金属陶瓷材料以下原始料粉末配制而成：TiC粉、TiN粉、Ti(C,N)粉、WTiC2粉末、Mo2C粉、WC粉、Cr3C2粉、NbC粉、TaC粉末、CoCrNi合金粉末和碳黑。
[0012]进一步优选地，所述原始粉末中的CoCrNi合金粉末为自制预合金粉末，三种合金元素所占质量分数分别为：Co,40～60份；Cr,20～30份；Ni,20～30份；各成分质量分数之和为100％。
[0013]制备所述高弹性模量的金属陶瓷材料的方法，所述方法为：
[0014]1)配制原始料粉末的混合粉，混合粉在球磨罐内充分混合，得到混合料；
[0015]2)在混合料中添加石蜡成形剂进行造粒；
[0016]3)金属陶瓷混合料进行压制得到压坯；
[0017]4)压坯在真空烧结炉内进行脱脂预烧结；
[0018]5)压坯在真空烧结炉内液相烧结烧制成形；
[0019]6)烧结后的冷却；
[0020]完成高弹性模量金属陶瓷材料的制备。
[0021]优选地，所述步骤1)中混合料采用湿法球磨工艺，混料时间为64～72h。
[0022]优选地，所述步骤5)采用液相烧结工艺，烧结温度为1400～1600℃，烧结过程真空度保持在10
‑1～10
‑2Pa。
[0023]本专利技术有益效果：
[0024]1、本专利技术高弹性模量值的金属陶瓷材料，烧结体内的硬质相包括3种类型的硬质相，通过硬质相的组成和种类可调节烧结体的结构组成及其弹性模量值。而本专利技术的金属陶瓷材料的弹性模量值与烧结体各相的体积分数呈现混合物规则，因此可以较为方便的调整制备特定弹性模量值的金属陶瓷材料。
[0025]2、本专利技术金属陶瓷材料的原始料由各种碳化物原料和预合金粘接相粉末组成，WC和WTiC2相较于Ti(C,N)具有较高的杨氏模量，可极大改善金属陶瓷原始料的成形性能。且WC、WTiC2与粘接相的润湿性较Ti(C,N)与粘接相的润湿性高，因此可以促进烧结致密化过程，降低孔隙率，从而进一步提高金属陶瓷烧结体的弹性模量值。
[0026]3、本专利技术所制备金属陶瓷材料的弹性模量值(540～600GPa)较单一芯壳结构的Ti(C,N)基金属陶瓷材料的弹性模量值(对比例1，446GPa)提高17.4～30.4％，由此来提高金属陶瓷材料的抗冲击性能，进一步扩大金属陶瓷材料的应用范围如半粗加工、粗加工及重型切削领域内的应用。
附图说明
[0027]图1为实施例1的高弹性模量金属陶瓷材料的SEM组织；
[0028]图中，1为第1硬质相，2为第2硬质相，3为第3硬质相
[0029]图2为实施例1的金属陶瓷材料第1硬质相的EDS能谱；
[0030]图3为实施例1的金属陶瓷材料第2硬质相的EDS能谱；
[0031]图4为实施例1的金属陶瓷材料第3硬质相的EDS能谱，其中，图4a为黑芯相的能谱，图b为环形相的能谱；
[0032]图5为对比例的金属陶瓷材料的SEM组织。
具体实施方式
[0033]下面结合实施例来进一步说明本专利技术，但本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
[0034]实施例1
[0035]首先是CoCrNi预合金粉末制备，配置的成分质量份数为Co,40份；Cr,30份；Ni,30份。采用机械合金化的方式，利用高能球磨工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高弹性模量的金属陶瓷材料，其特征在于：所述材料组成相包括第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相和粘接相，所述第1硬质相为碳化钨相，所述第2硬质相为W、Ti的复合碳化物相WTiC
x
(x＝1～2)，所述第3硬质相为Ti、W、Mo、Cr、Ta和/或Nb中两种或两种以上复合碳氮化物所形成的核壳结构碳化物相Ti1‑
y
Me
y
C
z
N1‑
z
(Me＝W,Mo,Cr,Ta,Nb；y≤0.25；z＝0.5～1)；所述第3硬质相核壳结构的黑芯中y≤0.08，z＝0.5～0.8，灰芯或壳部中y≤0.25；z＝0.9～1；粘结相为CoCrNi合金。2.根据权利要求1所述的高弹性模量的金属陶瓷材料，其特征在于：所述材料的烧结体内第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相和粘接相的体积分数分别为：25～35％，25～40％，25～35％，5～8％；各相体积分数之和为100％。3.根据权利要求1所述的高弹性模量的金属陶瓷材料，其特征在于，所述高弹性模量的金属陶瓷材料的弹性模量值(E)在540～600GPa区间，可通过结构组成中第1硬质相、第2硬质相、第3硬质相的体积分数比例进行调控；且烧结体的弹性模量值与各相体积分数(V
i
)之间满足混合物原则：式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：石增敏，朱哲，王珂胜，张大勇，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：