一種新型碳纖維增韌的Ti(C,N)基金屬陶瓷材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型高性能Ti (C，N)基金屬陶瓷材料及其制備方法，屬于高技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷及其應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]切削刀具是支撐和促進(jìn)機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素，其性能和質(zhì)量直接影響到加工效率的高低和加工質(zhì)量的好壞，關(guān)系到整個(gè)機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金雖廣泛應(yīng)用于切削加工，但若遇到超硬工件或長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)切削，則需進(jìn)一步改善其力學(xué)性能，這為開發(fā)硬度更高、紅硬性更好同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好韌性的材料創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。Ti (C，N)基金屬陶瓷是以Ti (C，N)為硬質(zhì)相，金屬N1、Mo等為粘結(jié)相，并添加其他碳化物如Mo2C、NbC等的復(fù)合陶瓷材料。與WC-Co硬質(zhì)合金相比，它們具有低密度、高硬度、與鋼的摩擦系數(shù)低、抗月牙洼磨損能力強(qiáng)以及紅硬性好等優(yōu)點(diǎn)。有研宄表明，在高速切削下，Ti (C，N)基金屬陶瓷比WC-Co硬質(zhì)合金耐磨性高5?8倍(Miao HZ,et al.，Investigat1n on the modificat1n methods to ceramic cutting tools.KeyEngineering Materials，2005，280-283:1197-1202)，它不僅適合作高速精加工的刀具，而且能滿足鋼材的半精加工、粗加工和間斷切削加工，其適用范圍填補(bǔ)了 WC基硬質(zhì)合金、Al2O3和Si 3N4陶瓷在高速粘加工和半精加工中難于觸及的領(lǐng)域。同時(shí)，Ti (C，N)基金屬陶瓷節(jié)省了 W、Co、Ta等貴重戰(zhàn)略資源的使用，因此開發(fā)Ti (C，N)基金屬陶瓷具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，也具有戰(zhàn)略意義。
[0003]但是，Ti (C，N)基金屬陶瓷刀具受制于其韌性差，限制了其更廣泛的應(yīng)用。為了在保持高硬度的同時(shí)，提高其韌性，添加高強(qiáng)度纖維是一種重要的途徑，因?yàn)檫@樣做一方面可以使高強(qiáng)度的纖維來分擔(dān)外加的負(fù)荷，另一方面可以利用纖維與陶瓷基體的界面結(jié)合來造就對(duì)外來能量的吸收系統(tǒng)，從而達(dá)到改善陶瓷材料韌性的目的。碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成的碳含量在90%以上的碳材料，具有高比強(qiáng)、高比模、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)；其強(qiáng)度可達(dá)到7000 MPa，彈性模量900 GPa，密度只有1.4至2.lg/cm3。但是，直接向復(fù)合陶瓷基體中添加無機(jī)碳纖維，由于二者的相容性難題，難于有效地混勻，加工難度大，而且成品碳纖維在混料過程中還易損傷斷裂，所得復(fù)合材料性能提高受到制約。而向復(fù)合陶瓷基體中加入有機(jī)聚合物先軀體卻相對(duì)容易得多。因此，本發(fā)明提出了首先在室溫下向Ti (C，N)基金屬陶瓷漿料中添加有機(jī)聚合物先軀體，然后利用聚合物先軀體高溫?zé)峤獾霓k法原位生成碳纖維來對(duì)Ti (C，N)基金屬陶瓷進(jìn)行增韌的辦法。
[0004]另一方面，聚丙烯腈基碳纖維由于生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，具有較高的碳化率，以及產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，是當(dāng)前碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流。本發(fā)明以聚丙烯腈預(yù)氧化纖維(PAN)作為復(fù)合材料添加劑，利用其在燒結(jié)過程中原位熱解成高強(qiáng)度的碳纖維來增韌陶瓷基復(fù)合材料，其原位合成過程中省去了碳纖維的預(yù)合成，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝并且降低了制備成本。
[0005]本發(fā)明運(yùn)用聚丙烯腈基碳纖維的制備原理結(jié)合Ti (C，N)基金屬陶瓷的燒結(jié)，提出以PAN作為先驅(qū)體纖維，在惰性氣氛保護(hù)下的熱壓燒結(jié)過程中原位熱解成碳纖維增韌Ti (C，N)基金屬陶瓷。在燒結(jié)過程中，在惰性氣氛保護(hù)下，通過控制升溫速率和保溫時(shí)間，控制先軀體纖維的熱解；并在加熱和保溫過程中，利用先驅(qū)體纖維與陶瓷粉末受熱后的膨脹程度不同，實(shí)現(xiàn)向纖維施加一定的軸向力，促進(jìn)碳鏈的結(jié)構(gòu)重組。這種采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備碳纖維增韌Ti (C，N)基金屬陶瓷復(fù)合材料的方法，將碳纖維的制備與復(fù)合材料的制備合二為一，不但克服了混料制備過程中成品碳纖維易損傷斷裂的問題，而且簡(jiǎn)化了復(fù)合材料的生產(chǎn)流程，降低了復(fù)合材料的生產(chǎn)成本，節(jié)約了能源，是一種制備碳纖維增韌Ti (C，N)基金屬陶瓷復(fù)合材料的新型技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種新型高性能Ti (C，N)基金屬陶瓷材料及其制備方法。用這種材料制備的金屬陶瓷硬度、強(qiáng)度高、韌性好，具有優(yōu)異的耐磨性能，特別適合用作高速精加工，特別是帶沖擊性加工的切削刀具，也可以用作高耐磨模具或者地質(zhì)鉆具等。
[0007]本發(fā)明提出的高性能Ti (C，N)基金屬陶瓷材料配方，基特征在于，以Ti (C，N)為基質(zhì)，以高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬為粘結(jié)劑，以金屬碳化物為晶粒抑制劑，并添加適量的聚丙烯腈預(yù)氧化纖維作先驅(qū)體，利用其在燒結(jié)過程中的原位熱解生成碳纖維來做增韌材料。
[0008]在上述配方中，所述基質(zhì)為Ti (C，N)微米粉或納米粉，粒徑D50小于0.5 μ m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)50?80%。
[0009]在上述配方中，所述金屬粘結(jié)劑為高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的Mo或Ni金屬粉末一種或者兩種，粒度I?3μπι，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10?20%。
[0010]在上述配方中，所述晶粒抑制劑為NbC、Mo2C、VC、Cr3C2中的一種或者多種，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5?10%。
[0011]在上述配方中，所述增韌先軀體材料為聚丙烯腈預(yù)氧化纖維，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5?30%。
[0012]本發(fā)明提出的所述材料的相應(yīng)制備方法，其特征在于，所述制備方法依次包括“混料一高能球磨一烘干一研磨過篩一裝料一燒結(jié)”工藝步驟。
[0013]在上述制備方法中，在對(duì)所述Ti (C，N)基金屬陶瓷原料按比例稱量并進(jìn)行混料時(shí)，同時(shí)外加O?15% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的有機(jī)分散劑和粘接劑，以有利于漿料分散和樣品壓制過程中成型。并且在混料過程中，將原料按照Ti (C，N)粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉、增韌劑順序依次加入、分階段球磨。
[0014]在上述制備方法中，所述高能球磨采用濕式球磨技術(shù)，其中溶劑為無水乙醇或者溶劑汽油，磨球?yàn)楦哂材湍サ腤C球。所述高能球磨中混合粉末、磨球、溶劑的質(zhì)量比為I: (10-20): (5-10)。所述高能球磨中，Ti (C，N)粉、金屬粘結(jié)劑粉、晶粒抑制劑粉的混合粉料球磨48?72h后，再加入聚丙稀腈預(yù)氧化纖維球磨0.5?2h。
[0015]在上述制備方法中，所述烘干采用真空干燥，控制溫度在40?100°C，時(shí)間40?60h，真空度O?-1Pa。
[0016]在上述制備方法中，所述研磨、過篩后，復(fù)合陶瓷粉料晶粒小于0.15 μπι，團(tuán)聚體小于 0.3mmο
[0017]在上述制備方法中，所述裝料指將稱量好的復(fù)合陶瓷粉料放入燒結(jié)模具中，壓緊，然后直接燒結(jié)成型。
[0018]在上述制備方法中，所述燒結(jié)為采用Ar或N2保護(hù)下的熱壓燒結(jié)。燒結(jié)過程中，初始?jí)毫?0?20MPa，1300°C前升溫速率10?20°C /min, 1300°C后升溫速率降為5?8°C /min，在400?600°C和1000?1200°C兩個(gè)溫度范圍內(nèi)的某一溫度下各保溫10_30min，最高燒結(jié)溫度1400?1500°C，并保溫時(shí)間I?2h，保溫壓力40?60MPa。冷卻速率600°C以前與升溫速率相同，600°C以后隨爐冷卻。
[0019]本發(fā)明的有益效果如下:
[0020](I)采用本發(fā)明工藝，聚丙烯腈預(yù)氧化纖維先軀體在燒結(jié)過程中原位熱解成碳纖維，其轉(zhuǎn)化率在90%以上，且熱解成的碳纖維表面完整性良好。
[0021](2)在Ar或隊(duì)保護(hù)下的熱壓燒結(jié)有利于原位熱解生成的碳纖維與陶瓷基體界面的良好結(jié)合，同時(shí)也有益于提高復(fù)合材料的致密度，從而顯著的改善復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。
[0022](3)所制備的新型Ti (C，N)基金屬陶瓷在保持高硬度的同時(shí)，強(qiáng)度和韌性都得到了大幅度提高，可望用于超硬工件或長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加工、沖擊性加工等嚴(yán)苛條件的切削刀具，也可用于地質(zhì)鉆具、模具。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的新型Ti(C，N)基金屬陶瓷的X-射線衍射花樣
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的新型Ti (C，N)基金屬陶瓷斷口掃描電鏡照片
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2新型Ti (C，N)基金屬陶瓷的X-射線衍射花樣
[0026]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2所制備的新型Ti (C，N)基金屬陶瓷斷口掃描電鏡照片
[0027]圖5是本發(fā)明實(shí)施例3新型Ti (C，N)基金屬陶瓷的X-射線衍射花樣
[0028]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3所制備的新型Ti (C，N)基金屬陶瓷斷口掃描電鏡照片
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
[0030]本發(fā)明提出一種新型高性能Ti (C，N)基金屬陶瓷材料及其制備方法，其特征在于，所述高性能Ti (C，N)基金屬陶瓷材料配方，以Ti (C，N)為基質(zhì)，以高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬M(fèi)o、Ni中的一種或者兩為粘結(jié)劑，以NbC、Mo2C, W、Cr3C2中的一種或者多種為晶粒抑制劑，以聚丙烯腈預(yù)氧化纖維為先軀體原位熱解生成的碳纖維為增韌材料。
[0031]所述制備方法，包括如下工藝步驟和內(nèi)容:
[0032](I)稱量:按照所述新型Ti (C，