[發明專利]一種高強韌高耐磨TiN鋼結硬質合金的制備方法

在審

• 申請號: 201710071263.5
• 申請日: 2017-02-09
• 公開（公告）號: CN106834872A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 邵慧萍;丁家偉;丁剛;耿德英;鹿薇薇;鹿策;施孟達;陳志和;朱堅
• 申請（專利權）人: 江蘇匯誠機械制造有限公司
• 主分類號: C22C29/16
• 分類號: C22C29/16;C22C37/10;C22C37/08;C22C33/02;C22C1/05;B22F9/04;B22F3/10
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發明領域

本發明涉及一種高強韌高耐磨TiN鋼結硬質合金的制備方法，特別是用反應燒結法制取高強韌高耐磨TiN鋼結硬質合金技術領域。

發明背景

鋼結硬質合金（以下簡稱為鋼結合金）是以鋼為基體，碳化鎢、碳化鈦等為硬質相采用粉末冶金方法生產的介于硬質合金和合金工具鋼、模具鋼及高速鋼之間的高壽命模具材料和工程材料。鋼結合金鋼基體粘結相與硬質相的配比范圍相當廣泛，這就決定了其具備如下優異性能：1）廣泛的工藝性能，主要是可鍛造性能和可切削加工性能以及可熱處理性和可焊接性。2）良好的物理機械性能，主要表現在與高鈷硬質合金相當的耐磨性；與鋼相比較高的剛性、彈性模量、抗彎強度和抗壓強度；與硬質合金相比較高的韌性；以及良好的自潤滑性和高的阻尼特性等。3）優異的化學穩定性，如耐高溫、抗氧化、抗各種介質腐蝕等。由于鋼結合金的上述優異的綜合性能，使得它在工模具材料、耐磨零件、耐高溫和耐腐蝕構件材料等方面愈來愈占據重要的地位，且在金屬加工、五金電子、汽車、機械、冶金、化工、船舶、航空航天以及核工業等領域得到廣泛應用并得到良好效果。如與合金工具鋼、模具鋼及高速鋼相比，鋼結合金可使模具壽命數以十倍地大幅度提高，經濟效益也極為顯著。

近年來，為獲得鋼結硬質合金的一些特殊組織與性能，并緩解由于傳統硬質合金材料主要資源W、Co日益匱乏等問題，國內外對鋼結硬質合金開展了更加廣泛與深入的研究，特別是對添加不同新型硬質相的研究(如添加A1203，TiN，NbC，TiCN，TiB2，Mo2FeB2，Mo2C，Cr3C2，VC，NV等)。近年來，一些新型的硬質相鋼結合金不斷涌現。

TiB2具有耐高溫性好，密度和電阻率小，傳導性好，且金屬粘著性低及摩擦因數低，抗氧化性強等特點，被認為是一種理想的鋼結合金硬質相。因Fe與TiB2之間的固溶度低，潤濕性好，而Mo還可改善其潤濕性，故綜合TiB2與Fe、Mo的優點，制各了TiB．FeMo復合材料。

日本某公司開發出一種不含有W、Co而是含Cr的M02FeB2型硼化物基復合材料KMH。此類多元硼化物基合金是采用水霧化法制備的Fe-Cr-B合金粉末、硼化物粉末和Fe、Cr、Mo、Ni等金屬粉末作原料，經濕磨混合、壓制成形和真空燒結的方法制造。

除了上述新型鋼結硬質合金外，日本一些公司還利用各種不同的硬質化合物(如TiC、VC、Cr3C2、SiC、ZrC、AlN等)及其混合化合物作硬質相，以各種鋼或鐵基合金作粘結劑，研制出一些新型復合材料。

同時，人們也在不斷尋求新的硬質相和新的粘結相的結合，以便開發出具有最佳組織和性能的MC型顆粒增強復合材料。在鋼結合金中，用作抗磨相的硬質顆粒碳化物種類比較多，有WC、TiC、Cr7C3、NbC、VC、SiC等陶瓷顆粒以及合金碳化物和滲碳體。MC型碳化物的熱力學穩定性由高到低的排列順序是：TiC＞NbC＞VC＞WC，其硬度的排列順序是：TiC＞VC＞WC＞NbC。我們知道，TiC與Fe相溶性差。燒結溫度高，強度比WC差，其優點是質輕，熱穩定性、摩擦性好；WC高溫與Fe相溶性不好，高溫時容易溶解于Fe中，高溫熱穩定性、熱強度差，在冷卻過程中析出從而形成橋接，惡化合金的機械性能；作為強碳化物形成元素V元素，與Ti元素類似，V也是一種非常活潑的合金元素，與C、N等元素有很強的親和力。V元素與C的親和力大于Cr元素與C的親和力，容易形成VC和V2C兩種穩定碳化物。在碳化物陶瓷中，VC的硬度最高，并且有很好的熱穩定性，是一種理想的硬質增強相。

Ti基硬質合金是指TiC或Ti(C,N)為基體的硬質合金。與WC基硬質合金相比，Ti基硬質合金的硬度較高，密度小，耐高溫、耐磨損、耐腐蝕性較強，并且具有非常好抗粘結、抗擴散磨損的能力。 Ti基硬質合金按組成和性能可分為:（1）TiC基合金；（2）Ti(C,N)基合金。由于TiC基合金韌性很低，一直沒有獲得太多的關注。直到20世紀70年代，Kieffer等人發現添加TiN到TiC-Mo-Ni系硬質合金中，硬質相晶粒得到顯著細化，硬質合金的室溫和高溫力學性能也明顯得到改善，而且添加適量的TiN，可提高TiC鋼結硬質合金的成核濃度，細化晶粒促進晶粒大小均勻化，添加TiN后還可大幅度地提高硬質合金的高溫耐腐蝕和抗氧化性能，同時提高材料的硬度和抗彎強度。另外，TiN的加入產生界面效應減弱了晶界的作用，抑制斷裂過程中的位錯運動，對斷裂點起到釘扎作用也會提高強度。因此，Ti(C,N)基硬質合金引起研究者們的極大興趣。TiN作為硬質相自由能小抗氧化能力強，它與鋼基體之間摩擦作用小，其粘結相的潤濕性優于TiC，抗粘著能力比TiC的更強，自由能較小，抗氧化溫度范圍大。