專利名稱：一種超細(xì)晶粒金屬陶瓷的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳氮化鈦TiC (N)金屬陶瓷的生產(chǎn)方法，特別是一種采用氫 化鈦(TiH2)等為主原料生產(chǎn)金屬陶瓷的方法，采用該方法生產(chǎn)的金屬陶瓷 具有硬質(zhì)合金的優(yōu)良性能，可廣泛替代傳統(tǒng)硬質(zhì)合應(yīng)用其工作(生產(chǎn))領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Ti基金屬陶瓷問世于1929年，但由于脆性大，其推廣應(yīng)用受到限制。傳 統(tǒng)Ti基金屬陶瓷的生產(chǎn)方法(流程)是原料TiC(N)等一濕磨干燥一加成型 劑壓制成型一真空脫膠(蠟)一真空燒結(jié)一后加工得成品。采用此類方法由 于存在典型的溶解——析出機(jī)制，使金屬陶瓷中不可避免的形成了環(huán)形相(脆 性相)、亦稱包覆相或ss相，此種環(huán)形結(jié)構(gòu)的存在始終制約了 Ti (C， N)、 TiC基等金屬陶瓷的性能、加之該方法所生產(chǎn)的金屬陶瓷晶粒較粗，影響其 強(qiáng)度的提高；致使其不能在傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用。 針對上述弊端，在專利號為US5,137,565發(fā)明名稱為《一種制備極細(xì)晶粒碳 氮化鈦合金的方法》的美國專利文獻(xiàn)中公開了一種以Ti、 Ta、 V、 W、 Co、 Ni等粉末為原料，首先經(jīng)過球磨細(xì)化、混合后，將其熔煉成脆性金屬間化合 物，然后將熔煉后的坯塊破碎、球磨，獲得粒度小于50um的預(yù)合金粉，再 經(jīng)碳氮化處理得平均粒度小于0.2 U m、其粉末周圍環(huán)繞著粘結(jié)金屬的復(fù)合粉， 然后再將該復(fù)合粉球磨混合、壓坯、真空或低壓燒結(jié)，從而制得金屬陶瓷制 品。該方法雖然消除了陶瓷制品中的環(huán)行相并能制得超細(xì)金屬陶瓷；但由于 球磨后混合粉料中的氧含量增高，又沒加入還原劑，致使Ti、 Ta、 V、 W、 Co、 Ni等金屬粉內(nèi)所含氧都無法脫掉，在碳氮化時極易形成(Ti、 W、 Ta、 V) (C、 N、 O)，在燒結(jié)過程中氧進(jìn)入固溶體且無法脫除，最終使合金變脆， 而仍不能獲得高性能的金屬陶瓷。在申請?zhí)枮?3124597、發(fā)明名稱為《TiC 硬質(zhì)合金》的專利文獻(xiàn)則公開了一種釆用Fe、 Ni、 Ti或其預(yù)合金粉與TiC粉 混合，首先在氮氣保護(hù)及1200。C溫度下預(yù)燒，然后在140(TC溫度下進(jìn)行真空 燒結(jié)，而制得晶粒度為1.6 3.0um的無環(huán)形結(jié)構(gòu)(包覆相)TiC制品。該技 術(shù)雖然通過在N2中燒結(jié)，使粘結(jié)相中的Ti和N2發(fā)生反應(yīng)，然后在真空燒結(jié) 中形成TiC一TiN固溶體并大量溶解于粘結(jié)相中，從而抑制了溶解一析出機(jī)機(jī) 制的產(chǎn)生，破壞了環(huán)形相的生成條件， 一定程度上提高了制品的性能，但由 于直接采用TiC粉為主要原料、在燒結(jié)過程中其晶粒不能被細(xì)化，因而存在 制品的晶粒度大、影響制品綜合性能的提高等缺陷。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是研究設(shè)計一種超細(xì)晶粒金屬陶瓷的生產(chǎn)方法，采用該方 法可抑制制品中脆性環(huán)形相的產(chǎn)生并細(xì)化晶粒；達(dá)到生產(chǎn)高性能超細(xì)金屬陶 瓷，以廣泛替代傳統(tǒng)硬質(zhì)金應(yīng)用其工作及生產(chǎn)領(lǐng)域、節(jié)約鎢資源等目的。本發(fā)明的解決方案是針對背景技術(shù)存在的缺陷，采用TiH2代替大部分 Ti粉既作原料、又作還原劑，利用氫化鈦(TiH2)分解出的HT還原其它金屬 中含的及吸附的氧，分解后的Ti具有更高的活性、又能更好地與其金屬形成 金屬間化合物。因此本發(fā)明方法包括-A. 熔制預(yù)合金首先將TiH2 30~50wt%，Ti 20 30wt%，Ta l 10wt%,W 3 10wt%,V 2 10wt%，Ni 5~20wt%, Co 2-12wt。/。的原料粉置于球磨機(jī)內(nèi)、球磨 8 24小時至粒度《50um止，然后將混合粉料送入真空熔煉爐內(nèi)，在氬氣保 護(hù)及1380 1460'C溫度下熔煉1 2.5小時，得預(yù)合金塊，爐內(nèi)真空度為 畫 350mbr;B. 破碎及球磨將由A工序所得預(yù)合金塊破碎后，送入球磨機(jī)內(nèi)球磨 16 32小時、至粒徑《50um止，球料比為3 5: 1;C. 配碳以B工序所得粉料中的Ti、 Ta、 W、 V的總含量計，加入將 其完全碳化所需理論含碳量80 100wtn/。的碳黑粉，球磨16~32小時；D. 碳氮化處理將配碳后的粉料置于石墨舟皿中并送入碳氮化處理爐
內(nèi)，在氮氣氣氛及850 115(TC溫度下進(jìn)行碳氮化處理2.0 4.0小時，得平均 晶粒度《0.2 P m的Ti(C、 N)粉料；E.燒結(jié)將所得Ti(C、 N)粉料送入球磨機(jī)內(nèi)濕磨18~72小時，然后經(jīng) 常規(guī)干燥、摻膠、壓坯、成型，最后送入燒結(jié)爐內(nèi)、在1380 148(TC溫度下 真空燒結(jié)1.0 3.0小時，隨爐冷卻即得目的物。上述熔制預(yù)合金時，在成份中還加入了原料粉總重量1 10 wt。/。的鍍Mo 粉、與此相應(yīng)在配碳時，所配碳量按Ti、 Ta、 W、 V、 Mo完全碳化所需理論 碳量的80 100wt。/。計。本發(fā)明由于在熔制預(yù)合金前的配料中以TiH2代替大部分金屬Ti，既作為 原料、又作為還原劑，在預(yù)合金制備過程中TiH2分解出的lT不但可還原粉料 中的氧及球磨過程中吸附的氧，避免其進(jìn)入固溶體內(nèi)；而且TiH2分解后的Ti 活性更高，能更好地與其它金屬形成金屬間化合物；此外，先將Ti、 V、 Mo、 Co、 Ni等金屬熔制成Ti高度彌散的預(yù)合金粉，在碳氮化時(Ti、 W、 V、 Ta、 Mo) (C、 N)核幾乎沒有長大的空間，而在粘結(jié)金屬Co、 Ni中溶解入了飽和 的碳氮化物、在燒結(jié)時也不會發(fā)生溶解一析出現(xiàn)象，避免了脆性環(huán)形相的產(chǎn) 生；從而可獲得高性能的超細(xì)金屬陶瓷制品。采用本發(fā)明方法生產(chǎn)出的金屬 陶瓷制品，晶粒度《0.8Pm，在抗彎強(qiáng)^2050Mpa時其硬度》90HRA，可廣 泛地代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬質(zhì)合金制品應(yīng)用其工作領(lǐng)域。
具體實施方式
方式1:以每批配制100kg預(yù)合金基礎(chǔ)料為例A. 熔制預(yù)合金首先將20.0kgTi， 50.0kgTiH2， 2.2kgTa， V、 W、 Co: 各6.0kg及10.0kgNi的粉料送入球磨機(jī)內(nèi)，球磨混合16小時，球料比為3.5: 1;然后將混合粉料送入真空感應(yīng)爐內(nèi)、在1420。C士2(TC及氬氣保護(hù)和 300mbar真空的條件下熔煉1.5小時，得預(yù)合金塊；B. 破碎及球磨將所得預(yù)合金塊徑鱷式破碎機(jī)破碎成直徑《5mm的小 塊后、送入球磨機(jī)內(nèi)球磨3小時、至顆粒度《50um得預(yù)合金粉料，球料比 為3.5:1;C. 配碳將由B工序所得預(yù)合金粉料及15kg碳黑置于球磨機(jī)內(nèi)球磨混 合24小時；D. 碳氮化處理將配碳后的物料置于各石墨舟皿內(nèi)，并送入耐熱管爐中，在氮氣氛及100(TC士1(TC溫度下處理3小時，得平均晶粒度《0.2um的 超細(xì)晶粒Ti(C、 N)粉末；E. 燒結(jié)將經(jīng)碳氮化處理后的粉末再送入球磨機(jī)內(nèi)濕磨48小時后，再 經(jīng)常規(guī)真空干燥、摻膠混合、壓坯后；送入燒結(jié)爐內(nèi)、在真空度300mbr及 1430°C ± l(TC溫度下燒結(jié)2.0小時，隨爐冷卻后即得制成品。經(jīng)檢測制品晶粒度《0.6um、抗彎強(qiáng)度^2080Mpa、硬度^91HRA。 實施例2:A.熔制預(yù)合金將原料粉Ti 22.0kg， TiH246.0kg， Ta2.0kg， W3.0kg， V、 Co:各6.0kg, Mo、 Ni:各8.0 kg —并置于球磨機(jī)內(nèi)；此后球磨、熔煉以及B工序的破碎及球磨均與實施例1相同；C.配碳將由B工序所得預(yù)合金粉及15.5kg碳黑粉送球磨機(jī)內(nèi)濕磨24 小時至顆粒度《50um，球料比為4: 1;以下的D.碳氮化處理及E.燒結(jié)工序亦均與實施例l相同。 所得制品經(jīng)檢測晶粒度《0.8 tx m，抗彎強(qiáng)度^2200Mpa、硬度》90HRA。
權(quán)利要求
1. 一種超細(xì)晶粒金屬陶瓷的生產(chǎn)方法，包括A.熔制預(yù)合金首先將TiH2 30～50wt％，Ti 20～30wt％，Ta 1～10wt％，W 3～10wt％，V 2～10wt％，Ni 5～20wt％，Co 2～12wt％的原料粉置于球磨機(jī)內(nèi)、球磨8～24小時至粒度≤50μm止，然后將粉料送入真空熔煉爐內(nèi)、在氬氣保護(hù)及1380～1460℃溫度下熔煉1～2.5小時，得預(yù)合金塊，爐內(nèi)真空度為100～350mbr；B.破碎及球磨將由A工序得預(yù)合金塊破碎后送入球磨機(jī)內(nèi)球磨16～32小時、至顆粒度≤50μm，球料比為3～5∶1；C.配碳以B工序所得粉料中的Ti、Ta、W、V的總含量計，加入將其完全碳化所需理論含碳量80～100wt％的碳黑粉，球磨16～32小時；D.碳氮化處理將配碳后的粉料置于石墨舟皿中并送入碳氮化處理爐內(nèi)，在氮氣氛及850～1150℃溫度下進(jìn)行碳氮化處理2.0～4.0小時，得平均晶粒度≤0.2μm的Ti(C、N)粉料；E.燒結(jié)將所得Ti(C、N)粉料送入球磨機(jī)內(nèi)濕磨18～72小時，然后經(jīng)常規(guī)干燥、摻膠、壓坯成型，最后送入燒結(jié)爐內(nèi)、在1380～1480℃溫度下真空燒結(jié)1.0～3.0小時，隨爐冷卻。
2. 按權(quán)利要求1所述超晶粒金屬陶瓷的生產(chǎn)方法；其特征在于烙制預(yù)合 金時，成份中還加入了原料粉總重量1 10wt。/。的金屬Mo粉；在配碳時，所 配碳量則按Ti、 Ta、 W、 V、 Mo完全碳化所需理論碳量的80 100wt。/。計。
全文摘要
該發(fā)明屬于一種生產(chǎn)超細(xì)晶粒金屬陶瓷的方法。包括以TiH₂、Ti、Ta、W、V、Mo、Ni、CO為原料，經(jīng)熔制預(yù)合金并將其破碎及球磨后、配碳、碳氮化處理、燒結(jié)，從而制得晶粒度≤0.8μm，抗彎強(qiáng)度≥2050MPa、硬度≥90HRA的超細(xì)金屬陶瓷制品。該發(fā)明由于采用TiH₂代替大部分Ti粉既作原料、又作還原劑，以除去原料粉及球磨中吸附的氧、避免其進(jìn)入固溶體，而TiH₂分解后的Ti活性更高，更易與其它金屬形成金屬間化合物，并消除了脆性環(huán)形相從而克服了背景技術(shù)或制品晶粒度大、影響制品綜合性能的提高；或含氧量高且進(jìn)入固體而無法脫除，使合金變脆等弊端。采用該發(fā)明方法生產(chǎn)的金屬陶瓷具有良好的綜合性能，可廣泛地用于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號C22C1/05GK101210291SQ20061002266
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月26日
發(fā)明者余祖孝, 楷 唐, 孫亞麗, 宏 羅, 蔡樂才, 金永中, 杰 顏, 新 黃 申請人:四川理工學(xué)院