[發(fā)明專利]一種碳氮化鈦基金屬陶瓷及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110124314.2
• 申請(qǐng)日: 2021-01-29
• 公開（公告）號(hào): CN112941389B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張斌;王博;王詩(shī)陽(yáng);蔣宗伯;南勛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 嘉興鷙銳新材料科技有限公司
• 主分類號(hào): C22C29/04
• 分類號(hào): C22C29/04;C22C1/05;C22C1/10;B22F9/04;B22F3/02;B22F3/04;B22F3/10
• 代理公司: 北京東方盛凡知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11562
• 代理人: 王穎

本發(fā)明提供一種碳氮化鈦基金屬陶瓷及其制備方法和應(yīng)用，所述碳氮化鈦基金屬陶瓷包括第一陶瓷相、第二陶瓷相、金屬相以及高熱導(dǎo)率界面層；其中第一陶瓷相為碳氮化鈦；第二陶瓷相為第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族元素的碳化物；金屬相為鈷和/或鎳；高熱導(dǎo)率界面層為含鋁化合物在金屬相、第一陶瓷相和第二陶瓷相之間原位生成的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過在原料中引入含鋁化合物，重構(gòu)傳統(tǒng)碳氮化鈦基金屬陶瓷復(fù)合材料的微觀組織，大幅提升其熱導(dǎo)率，進(jìn)而提高材料使用壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬陶瓷復(fù)合材料制造領(lǐng)域，具體涉及一種碳氮化鈦基金屬陶瓷及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

碳氮化鈦基金屬陶瓷作為一類鈦系硬質(zhì)合金，因其較鎢鈷硬質(zhì)合金具有更高的紅硬性，更好的抗氧化性和更強(qiáng)的耐磨性，被用于制造切削工具、耐磨零件的燒結(jié)體。并且因其優(yōu)異的表面加工質(zhì)量，常被應(yīng)用于半精加工和精加工中。然而，在加工過程中，刀具和工件接觸面產(chǎn)生大量切削熱，熱量聚集致使刀具產(chǎn)生熱裂紋或軟化，導(dǎo)致加工精度下降，進(jìn)而刀具失效。切削產(chǎn)生的熱量80％由刀具傳導(dǎo)至刀桿，其余由切屑和冷卻液帶走。當(dāng)以鎢鈷硬質(zhì)合金為切削材料時(shí)，由于鎢鈷硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)率為110W/m·K，所以熱量可以迅速導(dǎo)出刀具內(nèi)部，而碳氮化鈦基金屬陶瓷的熱導(dǎo)率僅為42.3W/m·K，因此以碳氮化鈦基金屬陶瓷為切削材料的切削熱難以迅速傳遞導(dǎo)出，使碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具的切削熱容易局部集中在刀尖處，從而限制碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具的使用壽命。

碳氮化鈦基金屬陶瓷內(nèi)部主要由硬質(zhì)陶瓷相和鐵族金屬(鈷、鎳)相構(gòu)成。碳氮化鈦的熱導(dǎo)率為29W/m·K，鈷、鎳的熱導(dǎo)率為69～91W/m·K，由其構(gòu)成的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于鎢鈷硬質(zhì)合金。因此，現(xiàn)有技術(shù)中常常選擇在碳氮化鈦基金屬陶瓷內(nèi)引入高熱導(dǎo)率物質(zhì)以提高其熱導(dǎo)率，常用的高熱導(dǎo)率物質(zhì)有碳化鎢、氮化鋁、氮化硅等，然而高熱導(dǎo)率物質(zhì)在碳氮化鈦基金屬陶瓷中的分布狀態(tài)是彌散的、不連續(xù)的，不但無法有效提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，反而容易劣化碳氮化鈦基金屬陶瓷的力學(xué)性能和加工能力。如何優(yōu)化高熱導(dǎo)率物質(zhì)在碳氮化鈦基金屬陶瓷內(nèi)部的分布形式，在保證碳氮化鈦基金屬陶瓷的力學(xué)性能和加工能力的前提下有效提升材料熱導(dǎo)率成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種碳氮化鈦基金屬陶瓷及其制備方法和應(yīng)用。通過在原料中引入含鋁化合物，重構(gòu)傳統(tǒng)碳氮化鈦基金屬陶瓷復(fù)合材料的微觀組織，大幅提升其熱導(dǎo)率，進(jìn)而提高刀具使用壽命。

本發(fā)明提供一種碳氮化鈦基金屬陶瓷，包括第一陶瓷相、第二陶瓷相、金屬相以及高熱導(dǎo)率界面層；

其中第一陶瓷相為碳氮化鈦；第二陶瓷相為第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族元素的碳化物；金屬相為鈷和/或鎳；高熱導(dǎo)率界面層為含鋁化合物在金屬相、第一陶瓷相和第二陶瓷相之間原位生成的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述高熱導(dǎo)率界面層厚度為10nm～100nm，成分為Me-鋁-鈷和/或鎳-氮元素構(gòu)成的元素富集物，其中Me為鈦或第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族元素。

進(jìn)一步地，高熱導(dǎo)率界面層均勻分布在碳氮化鈦基金屬陶瓷材料內(nèi)部，界面層網(wǎng)絡(luò)的平均自由程為0.6μm～3μm。

界面層厚度低于10nm的界面層無法保持強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致熱導(dǎo)率無法有效提升；高于100nm的界面層會(huì)失去納米特性，嬗變?yōu)橐话憔Ы鐘A雜相，導(dǎo)致復(fù)合材料性能降低。

由于界面層為網(wǎng)絡(luò)狀，所以根據(jù)第一陶瓷相和第二陶瓷相的平均統(tǒng)計(jì)粒徑代之界面層的平均自由程，當(dāng)其小于0.6μm時(shí)，聲子散射過于強(qiáng)烈，強(qiáng)共價(jià)鍵界面層無法抵消聲子散射帶來的負(fù)面效果；當(dāng)其大于3μm時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提升，但力學(xué)性能下降嚴(yán)重。

為實(shí)現(xiàn)平均自由程的限定，需要滿足以下條件：(1)控制原料粉體平均粒徑為0.6μm～5μm；(2)控制球磨介質(zhì)質(zhì)量/原料質(zhì)量，球磨時(shí)間以及球磨漿料的溫度，在充分球磨的前提下，不過度延長(zhǎng)球磨時(shí)間產(chǎn)生超細(xì)顆粒；(3)控制燒結(jié)過程的升溫速率和保溫時(shí)間，限制晶粒異常長(zhǎng)大。