超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結的製作方法

2023-05-23 15:23:56

專利名稱：超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微波燒結，尤其涉及一種超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結。
背景技術：
TiCN基金屬陶瓷是20世紀70年代初發展起來的一種新型刀具材料，其優異的性能填補 了 WC基硬質合金和陶瓷之間的空白，特別適用於200 400m/min的高轉速下鋼和鑄鐵的半精 加工和精加工。目前，國內外生產TiCN基金屬陶瓷的傳統燒結方法，主要為常規真空燒結/ 氣氛保護燒結，利用石墨等加熱體發熱，通過輻射、對流、傳導等方式使得材料由表及裡地 升溫，這種加熱方式需要較長的時間升溫和保溫，才能使燒結的TiCN基金屬陶瓷材料達到一 定的強度和硬度。目前，國內公布的關於TiCN方面的專利文獻主要分為兩個方面首先是 TiCN粉體的合成和製備，如ZL90103830. X、ZL 02125986. 0、ZL200410023706. 6、CN1803587A(申 請號200510042366. 6) 、 CN1699284A(申請號200510010013. 8) 、 CN 1974403A(申請號 200610022475. 6) 、 CN1944249A(申請號200610134116. X);再有TiCN基金屬陶瓷材料的成份， 如ZL 93108190.4、 ZL 02138161.5、 CN101128610A 、 CN1011189090A等。上述公開文獻中 披露的信息顯示，真正涉及材料燒結工藝的，使用的均為常規的真空燒結或氣氛保護燒結技 術方案，它存在燒結和保溫時間長，能耗大、容易使材料晶粒粗大等缺陷。

發明內容
針對上述情況,本發明的目的是提供一種超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結工藝， 它能使材料內外同時加熱，升溫速度快，加熱時間短，工藝簡便，燒結出的材料晶粒比常規 燒結細小，性能更加優異，且生產成本低、生產效率高，安全可靠、高效節能。
為了實現上述目的， 一種超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，它以300fflz 8GHz 頻率微波介質作熱源，使超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料吸收微波能量而完成燒結過程， 此燒結過程中按超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值分別使用真空和氣氛保護兩 種微波加熱燒結工藝。
為了優化上述技術方案，其進一步的措施是
超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值等於大於1.5，使用真空微波加熱燒結 工藝。
超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值小於1.5，使用氣氛保護微波加熱燒結
工藝。
真空微波加熱燒結工藝中，其真空度不超過1X 10—卞a，升溫速率為20。C 50'C/分鐘， 最高燒結溫度為1300。C 150(TC，保溫時間為5 30分鐘，升溫過程中至少在650。C和1100°C 時均保溫3 10分鐘。
氣氛保護微波加熱燒結工藝中，其氣氛是氬氣、氮氣氣體或氬氣-氮氣、氬氣-氫氣氣體 中的一種，燒結時氣體壓力為102 106Pa，氣體純度不低於99%，氣體中氮氣/氬氣和氫氣/ 氬氣的比值為1:19 3:17，升溫速率為15" 40。C/分鐘，最高燒結溫度為1300。C 150(TC，
保溫時間為5 30分鐘，升溫過程中至少在650。C和IIO(TC時均保溫3 10分鐘。
微波加熱燒結工藝中獲得的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷燒結體的晶粒平均粒徑為 0. 2tim lym。
本發明採用300MHz 8GHz頻率微波加熱燒結不同碳氮比的碳氮化鈦基金屬陶瓷，並針對 不同碳氮比的碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料分別使用真空微波燒結和氣氛保護微波燒結的技術方 案，克服了使用傳統真空或氣氛保護燒結工藝，存在加熱效率低，燒結時間長，能耗大，環 境汙染嚴重，晶粒粗大等缺陷。
本發明相比現有技術所產生的有益效果
(a) 本發明應用300MHz 8GHz頻率微波介質作熱源，將不同碳氮比的TiCN基金屬陶 瓷坯料分別使用真空和氣氛保護兩種微波加熱燒結工藝，從而控制了 TiCN基金屬陶瓷中氮的 逸出，保證了TiCN基金屬陶瓷的使用性能。
(b) 根據碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料中的氮碳比的比值不同分別使用真空和氣氛保護兩種 微波加熱燒結工藝，以最佳的工藝產出最優的產品，達到了節能、高效的目的，實現了微波 加熱燒結可縮短總加熱燒結時間2-6小時的能效目標。
(c) 本發明的微波加熱燒結過程中，因材料本身吸收微波將微波能轉化為自身的熱能， 熱源在產品內部，形成體熱源狀態，能實現碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料的"整體"加熱，"均 勻"加熱，使燒結體的組織結構得到優化，其應力更小，能夠在快速加熱、升溫、保溫過程 中得到顆粒細小、性能優良的碳氮化鈦基金屬陶瓷超細晶粒，同時微波加熱慣性極小，要開
就開，要停就停，能實現快速自動控制，有利於節約生產成本和提高生產效率。
(d) 本發明工藝簡單，操作簡便，加熱、保溫時間短，升溫速度快，加熱均勻可靠，可
細化材料晶粒，且設備投入少，燒結周期短，其完成微波加熱燒結過程的總加熱燒結時間最 少只有37分鐘，最長只有150分鐘，高效節能無汙染，易於實現規模生產，商業潛力大，市 場前景十分可觀，極具推廣價值。
本發明可廣泛應用於其它具有較強微波吸收能力的陶瓷、陶瓷基複合材料及金屬間化合 物材料的燒結。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。


圖1為本發明超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波加熱燒結工藝的流程框圖。
圖2為本發明使用真空微波加熱燒結工藝的升溫控制圖。
圖3為本發明使用氬氣氣氛保護微波加熱燒結工藝的升溫控制圖。
圖4(表l)為本發明使用真空微波加熱燒結工藝與使用傳統燒結工藝燒結的TiCN基金屬 陶瓷燒結體性能對照表。
圖5(表2)為本發明使用氬氣氣氛保護微波加熱燒結工藝與使用傳統燒結工藝燒結的 TiCN基金屬陶瓷燒結體性能對照表。
圖6為本發明按(a、 b、 c、 d、 e)真空微波加熱燒結工藝分別燒結的超細晶粒碳氮化釹基 金屬陶瓷燒結體(B、 C、 D、 E、 F)和按傳統燒結工藝燒結的碳氮化鈦基金屬陶瓷燒結體(A) 的掃描電鏡(SEM)顯微組織圖。
圖7為本發明按(f、 g、 h、 i、 j)氬氣氣氛保護微波加熱燒結工藝分別燒結的超細晶粒碳 氮化鈦基金屬陶瓷燒結體(A、 B、 C、 D、 E)的掃描電鏡(SEM)顯微組織圖。'
具體實施例方式
參見附圖， 一種超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，它以300MHz 8GHz頻率微波 介質作熱源，使超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料吸收微波能量而完成燒結過程，此燒結過 程中按超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值分別使用真空和氣氛保護兩種微波加 熱燒結工藝。
其工藝流程為微波介質-碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料-碳氮比的比值-碳氮比的比值等於大 於1. 5-真空微波加熱燒結工藝-燒結體；和-碳氮比的比值小於1. 5-氣氛保護微波加熱燒結工 藝-燒結體。
具體操作是首先選定300MHz 8GHz頻率微波爐作加熱、燒結熱源，確定超細晶粒碳氮 化鈦基金屬陶瓷坯料中碳氮比的比值，如，基體相TiCN中碳氮比的比值等於大於1. 5時，使 用真空微波加熱燒結工藝；碳氮比的比值小於1.5時，使用氣氛保護微波加熱燒結工藝。
然後，將粒度小於等於lum (微米)的原始粉末製得的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯 料放入微波爐內，設置微波爐加熱、燒結過程中的各項參數。
真空微波加熱燒結中，控制真空度不超過1X10—'Pa(帕斯卡)，升溫速率為2(TC 5(TC/
分鐘；氣氛保護微波加熱燒結中，其氣氛是氬氣、氮氣氣體或氬氣-氮氣、氬氣-氫氣氣體中 的一種，氣體壓力為102 106Pa，氣體純度(體積分數)不低於99%，氣體中氮氣/氬氣和氫 氣/氬氣的比值為1:19 3:17，升溫速率為15'C 40"C/分鐘，升溫由微波加熱、燒結程序自 動控制微波功率輸出大小，由室溫升至最高130(TC 150(TC的時間為真空微波加熱、燒結 總時間為37 125分鐘，氣氛保護微波加熱、燒結總時間為43.5 150分鐘，中間設置保溫 時間為3 10分鐘，在最高點的保溫時間為5 30分鐘，然後控制冷卻或隨爐冷卻成燒結體。 實施例1
取一定配比的TiC。.7N。.3、 WC、 TaC 、 Co、 Ni、 Mo2C、 ZrC、 VC粉末，按照下列質量比配成 混合料
TiC。.7N。.3 50.5wt% WC 15wt% TaC 10wt% Mo2C 8wt% Co 10wt% Ni 5wt% ZrC 1.Owt%VC 0. 5wt%
上述各組分粉末粒度為《1 " m。
然後通過粉末冶金方法製成坯料，其過程為
(1) 溼磨將上述混合粉末裝入QM-1SP4型球磨機不鏽鋼球磨罐中，按200 400ml/l加 入正已烷，選用①5硬質合金球，球料比為5: 1，轉速200rpm，球磨48 96小時；
(2) 加入成型劑按3 5wtM稱取石蠟，溶於正已烷中，加入球磨罐與混合料一起溼磨；
(3) 過篩將球磨後的料漿過60目篩，沉澱1 2小時；
(4) 乾燥將沉澱料放入ZK-82BB型電熱真空乾燥箱中，於70 9(TC保溫1 2小時， 乾燥；
(5) 模壓成型將乾燥後的粉料，放入模具中，150 300MPa壓力下成型；
(6) 燒結首先將上述壓好的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料裝入MW-L0316HV高真空 微波爐內，微波介質為2.45GHz頻率，依次開啟機械泵和擴散泵，將爐體內的真空抽至 1X10—2Pa，然後開啟微波源，進行加熱。加熱工藝如圖2所示。具體加熱燒結工藝如以下五 種
a、 首先，用5(TC/分鐘的速度，將材料加熱至65(TC，在此溫度保溫3分鐘，然後再以 5(TC/分鐘的速度，加熱至110(TC，在此溫度保溫3分鐘，然後再以5(TC/分鐘的速度，加熱 至130(TC，保溫5分鐘，然後隨爐冷卻。
b、 首先，用45。C/分鐘的速度，將材料加熱至65(TC，在此溫度保溫5分鐘，然後再以 35。C/分鐘的速度，加熱至110(TC，在此溫度保溫6分鐘，然後再以25TV分鐘的速度，加熱 至140(TC，保溫10分鐘，然後隨爐冷卻。
c、 首先，用4(TC/分鐘的速度，將材料加熱至65(TC，在此溫度保溫8分鐘，然後再以 30'C/分鐘的速度，加熱至1100'C，在此溫度保溫8分鐘，然後再以20'C/分鐘的速度，加熱 至1430'C，保溫10分鐘，然後隨爐冷卻。
d、 首先，用50'C/分鐘的速度，將材料加熱至65(TC，在此溫度保溫8分鐘，然後再以 3CTC/分鐘的速度，加熱至110(TC，在此溫度保溫8分鐘，然後再以2(TC/分鐘的速度，加熱 至145(TC，保溫30分鐘，然後隨爐冷卻。
e、 首先，用2(TC/分鐘的速度，將材料加熱至650'C，在此溫度保溫10分鐘，然後再以 2(TC/分鐘的速度，加熱至110(TC，在此溫度保溫10分鐘，然後再以20。C/分鐘的速度，加 熱至150(TC,保溫30分鐘，然後隨爐冷卻。
同時，對採用同種成分和工藝條件獲得的超細晶粒TiCN基金屬陶瓷燒結體，與採用傳統 燒結工藝獲得的TiCN基金屬陶瓷燒結體進行了對比，見對比實例。對比實例的升溫曲線過程 如下在不超過20Pa的真空下，以3.5TV分鐘升至375X:，保溫90分鐘，然後以3.5XV分 鍾升至60(TC，後再以7'C/分鐘升至125(TC，保溫90分鐘，再以2'C/分鐘升至1450°C，最 後保溫60分鐘。
對比實例和在五種真空微波加熱燒結工藝中獲得的超細晶粒碳氮化鈦(TiCN)基金屬陶 瓷燒結體的密度、硬度和三點彎曲強度如圖4(表1)所示，斷口的掃描電鏡(SEM)顯微組織如 圖6，常規燒結的對比實例的晶粒平均粒徑在1 u m 3y m內，而經微波加熱燒結的超細晶粒 TiCN基金屬陶瓷燒結體的晶粒平均粒徑為0.2pm lum，晶粒得到細化，且微波燒結的時間 大大縮短。
實施例2
取一定配比的TiC。,5N。.5、 WC、 TaC 、 Co、 Ni、 Mo2C、 ZrC、 VC粉末，按照下列質量比配成 混合料
TiC。.5N。.5 50.5wt% WC 15wt% TaC 10wt% Mo2C 8wt% Co 10wt% Ni 5wt% ZrC 1.0wt%VC 0.5wt%。 上述各組分粉末粒度為《1 P m。
然後通過粉末冶金技術製成坯料，其過程為
(1) 溼磨將上述混合粉末裝入QM-1SP4型球磨機不鏽鋼球磨罐中，按350ml/l加入正 己垸，選用①5硬質合金球，球料比為5: 1，轉速200rpm，球磨96小時。
(2) 加入成型劑按5wty。稱取石蠟，溶於正已烷中，加入球磨罐與混合料一起溼磨。
(3) 過篩將球磨後的料漿過60目篩，沉澱2小時。
(4) 乾燥將沉澱料放入ZK-82BB型電熱真空乾燥箱中，於90'C保溫2小時，乾燥。
(5) 模壓成型將乾燥後的粉，放入模具中，280MPa壓力下成型。
(6) 燒結首先將上述壓好的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料裝入MW-L0316HV高真空 微波爐內，微波介質為2.45GHz頻率，依次開啟機械泵和擴散泵，將爐體內的真空抽至 1X10—卞a，衝入氣體純度不低於99%(體積分數)的氬氣，壓力為102 106Pa。然後開啟微波源， 進行加熱。如圖3所示，在控制面板上按氣氛保護微波加熱燒結工藝進行升溫、保溫的多步
升溫、保溫操作的自動控制。具體加熱燒結工藝如以下五種
f、 首先，抽真空至lX10，a，然後衝入102Pa的氬氣，用40。C/分鐘的速度，將材料加
熱至650'C，在此溫度保溫3分鐘，然後再以40。C/分鐘的速度，加熱至110(TC，在此溫度 保溫3分鐘，然後再以40'C/分鐘的速度，加熱至130(TC，保溫5分鐘，然後隨爐冷卻。
g、 首先，抽真空至lXl(T'Pa，然後衝入3X10卞a的氬氣，用35TV分鐘的速度，將材 料加熱至650。C，在此溫度保溫5分鐘，然後再以25T7分鐘的速度，加熱至110(TC，在此 溫度保溫6分鐘，然後再以15tV分鐘的速度，加熱至1400°C，保溫IO分鐘，然後隨爐冷卻。
h、 首先，抽真空至1X10—卞a，然後衝入3X104Pa的氬氣，用3(TC/分鐘的速度，將材 料加熱至650。C，在此溫度保溫8分鐘，然後再以25TV分鐘的速度，加熱至110(TC，在此 溫度保溫8分鐘，然後再以15'C/分鐘的速度，加熱至1430'C，保溫IO分鐘，然後隨爐冷卻。
i、 首先，抽真空至1X10—卞a，然後衝入5X103Pa的氬氣，用40。C/分鐘的速度，將材 料加熱至650'C，在此溫度保溫8分鐘，然後再以30'C/分鐘的速度，加熱至1100'C，在此 溫度保溫8分鐘，然後再以15'C/分鐘的速度，加熱至145(TC，保溫30分鐘，然後隨爐冷卻。
j、首先，抽真空至1X10—卞a，然後衝入l(fPa的氬氣，用15'C/分鐘的速度，將材料加 熱至650。C，在此溫度保溫10分鐘，然後再以15'C/分鐘的速度，加熱至110(TC，在此溫度 保溫10分鐘，然後再以15'C/分鐘的速度，加熱至150(TC，保溫30分鐘，然後隨爐冷卻。
在五種氬氣氣氛保護微波加熱燒結工藝中獲得的超細晶粒碳氮化鈦(TiCN)基金屬陶瓷 燒結體的密度、硬度和三點彎曲強度如圖5(表2)所示，斷口的掃描電鏡(SEM)顯微組織如圖 7，經微波加熱燒結的超細晶粒TiCN基金屬陶瓷燒結體的晶粒平均粒徑為0.2um lum，晶 粒得到細化，且微波燒結的時間大大縮短。
以上僅僅是本發明的較佳實施例，根據本發明的上述構思，本領域的熟練人員還可對此 作出各種修改和變換。例如，碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值設置及選用真空和氣氛 保護兩種微波加熱燒結工藝的修改和變換。然而，類似的這種變換和修改均屬於本發明的實 質。
權利要求
1、一種超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，其特徵在於以300MHz～8GHz頻率微波介質作熱源，使超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料吸收微波能量而完成燒結過程，此燒結過程中按超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值分別使用真空和氣氛保護兩種微波加熱燒結工藝。
2、 根據權利要求l所述的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，其特徵在於超細晶 粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值等於大於1.5，使用真空微波加熱燒結工藝。
3、 根據權利要求l所述的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，其特徵在於超細晶 粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值小於1.5，使用氣氛保護微波加熱燒結工藝。
4、 根據權利要求l所述的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，其特徵在於真空微 波加熱燒結工藝中，其真空度不超過1X10—卞a，升溫速率為2CTC 5(TC/分鐘，最高燒結溫 度為1300°C 1500°C，保溫時間為5 30分鐘，升溫過程中至少在650'C和IIO(TC時均保溫 3 10分鐘。
5、 根據權利要求1所述的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，其特徵在於氣氛保 護微波加熱燒結工藝中，其氣氛是氬氣、氮氣氣體或氬氣-氮氣、氬氣-氫氣氣體中的一種， 燒結時氣體壓力為102 106Pa，氣體純度不低於99%，氣體中氮氣/氬氣和氫氣/氬氣的比值為 1:19 3:17，升溫速率為15。C 4(TC/分鐘，最高燒結溫度為130(TC 150(TC，保溫時間為5 30分鐘，升溫過程中至少在650'C和IIO(TC時均保溫3 10分鐘。
6、 根據權利要求l所述的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，其特徵在於微波加熱燒結工藝中獲得的超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷燒結體的晶粒平均粒徑為0. 2 y m 1 y m。
全文摘要
一種超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷的微波燒結，它以300MHz～8GHz頻率微波介質作熱源，使超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料吸收微波能量而完成燒結過程，此燒結過程中按超細晶粒碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料碳氮比的比值分別使用真空和氣氛保護兩種微波加熱燒結工藝。它採用300MHz～8GHz頻率微波加熱燒結不同碳氮比的碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料，並針對不同碳氮比的碳氮化鈦基金屬陶瓷坯料分別使用真空微波燒結和氣氛保護微波燒結的技術方案，克服了使用傳統真空或氣氛保護燒結工藝，存在加熱效率低，燒結時間長，能耗大，環境汙染嚴重，晶粒粗大等缺陷。它可廣泛應用於其它具有較強微波吸收能力的陶瓷、陶瓷基複合材料及金屬間化合物材料的燒結。
文檔編號C04B35/64GK101381233SQ20081014309
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者嚴迪科, 古思勇, 唐思文, 張厚安, 李頌文, 李鵬南, 許劍光, 顏建輝 申請人:湖南科技大學