[发明专利]一种具有正梯度环芯相的Ti(C, N)基金属陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有正梯度环芯相的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法。该金属陶瓷环芯组织的外环相较内环相富W/Mo而贫N，环芯相中固溶金属元素W/Mo沿芯部至外环呈正梯度分布，具有较常规环芯相成分相反的正梯度结构。与常规环芯相的Ti(C,N)基金属陶瓷相比，正梯度环芯相结构可提升陶瓷相与粘结相的界面润湿及结合强度，降低环芯内界面的晶格错配度，有效提升Ti(C,N)基金属陶瓷的强度与抗热震性能。该金属陶瓷在保持良好强韧性的基础上，具有较常规金属陶瓷更高的强韧性和抗热震性能，可提高刀具的表面加工精度和使用寿命，广泛应用于轴承料、切削刀具、模具材料等领域。

技术领域

本发明属于陶瓷材料制备技术领域，尤其涉及一种具有正梯度环芯相的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳氮化钛(Ti(C,N))基金属陶瓷材料具有优异的耐磨性和高温切削性能，是应对我国钨资源匮乏，所急需发展的高附加值硬质材料。韧性不足是Ti(C,N)基金属陶瓷应用面临的主要技术问题，归因于金属Ni及其合金粘结相对Ti(C,N)硬质相界面不浸润。在Ti(C,N)颗粒表面形成环相，改善粘结相对陶瓷相的润湿性并优化环芯界面微结构，是提高材料强韧性的主要方法。以合金元素、碳化物或复式固溶体的形式，添加合金元素Mo、W等可改善Ni对Ti(C,N)颗粒的润湿性，并通过溶解-析出形成环芯相组织。其中环相为(Ti,W,Mo,...)(C,N)固溶体，而芯相为Ti(C,N)。环相能优化材料的组织分布、细化晶粒并提高陶瓷相与金属的结合强度；但环相为脆性相，且环芯组织内界面处位错堆积，存在一定的界面内应力，易于诱导裂纹源的萌生。因此，在确保体系润湿性改善的同时，有效降低或消除环相与芯相间的晶格错配，实现高共格、低界面应力环芯结构是提高材料强韧性的关键。

Shinhoo Kang证实了环芯相内界面的消除可显著提高了金属陶瓷的断裂韧性，且富W的固溶体晶粒具有更好的韧性，且与粘结相的结合强度更高。基于此，依据烧结过程环芯组织的演变规律，构筑低应力、高共格、正梯度环芯结构是制备高强韧性、高硬度Ti(C,N)基金属陶瓷的有效方法。

发明内容

为了降低现有Ti(C,N)基金属陶瓷环芯相中固溶元素W/Mo的成分差异，提升陶瓷相与粘结相的界面结合强度，本发明的目的在于提供一种高抗热震性能、高强度的具有正梯度环芯相的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明一种具有正梯度环芯相的Ti(C,N)基金属陶瓷，所述 Ti(C,N)基金属陶瓷的硬质相组织结构为环芯相，所述环芯相由芯相，包覆芯相的内环相，以及包覆内环相的外环相组成；其中外环相较内环相富W/Mo而贫N，且环芯相中W/Mo沿芯相至外环相呈正梯度分布。

本发明提供的Ti(C,N)基金属陶瓷，外环相中固溶金属元素W与 Mo的含量，比内环相固溶W与Mo的含量更多，而外环相中固溶N的含量，比内环相固溶N的含量更少，并且从整个环芯相中的结构来说， W与Mo的含量沿芯相至外环相呈梯度增加(正梯度)的分布，与现有技术中常规的环芯相成分相反。

优选的方案，所述芯相的成份为Ti(C,N)，内环相为贫W/Mo富N 的(Ti,M)(C,N)固溶体，外环相为富W/Mo贫N的(Ti,M)(C,N)固溶体，其中M为W、Mo、Ta、Nb、V、Zr、Hf中的至少一种，且包含W与 Mo中的至少一种。

优选的方案，所述Ti(C,N)基金属陶瓷的粘结相由钛、含钛的金属间化合物中的至少一种与铁族金属组成，其中钛和钛的金属间化合物在粘结相中质量分数为2～10wt％。

进一步的优选，所述钛的金属间化合物选自Ni₃Ti、Co₃Ti中的至少一种。

进一步的优选，所述铁族金属选自铁、钴、镍中的至少一种，优选为钴、镍中的至少一种。