氮碳化鈦基金屬陶瓷新材料的應(yīng)用----株洲昊坤硬材

氮碳化鈦基金屬陶瓷新材料是一種高強(qiáng)度的新型材料，可廣泛用于數(shù)控機(jī)床特種刀具和制作型材。該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)專有技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和實(shí)施，研制出相應(yīng)的產(chǎn)品，并使產(chǎn)品經(jīng)過(guò)研發(fā)、小試、中試階段，最終實(shí)現(xiàn)高性能氮碳化鈦基金屬陶瓷材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該項(xiàng)目有效解決了Ti（C，N）基金屬陶瓷易脫氮、產(chǎn)品致密度差、性能不穩(wěn)定、缺陷多、量產(chǎn)難度大等一系列行業(yè)難題；并通過(guò)在配方中引入AlN納米線，提高了Ti（C，N）基金屬陶瓷的硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

目前，該項(xiàng)目產(chǎn)品已通過(guò)前期的小試階段，進(jìn)入小批量中試試驗(yàn)生產(chǎn)階段。項(xiàng)目中試階段產(chǎn)品經(jīng)中國(guó)有色金屬工業(yè)粉末冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，產(chǎn)品各項(xiàng)性能達(dá)標(biāo)均達(dá)到國(guó)際水平，并經(jīng)用戶試用，達(dá)到用戶標(biāo)準(zhǔn)，取得了用戶的高度認(rèn)可。

改項(xiàng)目轉(zhuǎn)化研制的Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具材料具有高硬度、高強(qiáng)度、優(yōu)良的高溫和耐磨性能、良好的韌性、密度小、紅硬性高、高溫抗氧化性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，滿足汽車、摩托車制造業(yè)、模具加工業(yè)、軸承加工業(yè)、航空航天業(yè)、機(jī)床業(yè)、工程機(jī)械、石墨電極、3C電子行業(yè)配套等行業(yè)市場(chǎng)的需求，并能打破國(guó)外企業(yè)的市場(chǎng)壟斷地位。同時(shí)，以Ti（C，N）替代戰(zhàn)略稀缺資源鈷、鎢類材料，也有利于國(guó)家的戰(zhàn)略安全和資源儲(chǔ)備。

作為智能硬件類參賽項(xiàng)目，大賽總決賽評(píng)委會(huì)給予的相關(guān)評(píng)估評(píng)價(jià)信息如下：

1、創(chuàng)新性（40%）

（1）提出合金化新技術(shù)，研究出適合各種服役環(huán)境下應(yīng)用的28種金屬陶瓷材料； （2）研究金屬陶瓷材料三種以上物相調(diào)控方法，建立起物相與使用性能的關(guān)系，針對(duì)各種成分材料形成了Ti（C，N）黑芯相、Ti（W、Mo、Me）C過(guò)渡相及Co（Ni）金屬粘結(jié)相定量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 （3）通過(guò)研究穩(wěn)氮用化合物的添加，及預(yù)反應(yīng)保護(hù)層的形成，穩(wěn)定Ti（N、C）的化學(xué)成分，防止脫氮發(fā)生；解決了長(zhǎng)期困擾金屬陶瓷行業(yè)的加工制備過(guò)程中Ti（C，N）分解而伴隨的脫氮現(xiàn)象造成產(chǎn)品質(zhì)量控制十分困難的技術(shù)難題。 將最優(yōu)配比原材料進(jìn)行粉碎并混合，制得粉末混合物后，作為硬質(zhì)相原料的粉末顆粒是由Ti（C，N）粒芯及WC、Mo2C包覆層構(gòu)成的，即由WC、Mo2C包覆Ti（C，N）所形成的顆粒，而現(xiàn)有Ti（C，N）基金屬陶瓷的硬質(zhì)相原料則為Ti（C，N）粉或TiC與TiN的混合粉。 相比于現(xiàn)有單純采用機(jī)械混合的方法添加WC、Mo2C，實(shí)驗(yàn)組通過(guò)物理包覆的方式實(shí)現(xiàn)了在Ti（C，N）顆粒的表面覆蓋一層WC、Mo2C，因此，在燒結(jié)過(guò)程中，Ti（C，N）與WC、Mo2C的界面形成較完整的（Ti，W，Mo）（C，N）環(huán)形化合物，（Ti，W，Mo）（C，N）在粘接相金屬中溶解占位從而阻礙Ti（C，N）中的Ti、N、C原子的擴(kuò)散，有效抑制Ti、N、C原子在粘接相中的溶解和析出，降低了氮碳化鈦在粘接相中的溶解度，減少氮碳化鈦在粘接相中溶解析出再長(zhǎng)大導(dǎo)致的N分解，增強(qiáng)氮碳化鈦的穩(wěn)定性，使氮碳化鈦晶粒細(xì)化，提高金屬陶瓷的硬度和強(qiáng)韌性。 （4）針對(duì)C、O反應(yīng)和液相存在溫度，制定加壓燒結(jié)工藝制度，形成金屬陶瓷材料全致密化的低壓燒結(jié)技術(shù)。 （5）研究金屬陶瓷材料的物相及其組成，特別是黑相粒度與材料韌性關(guān)系，形成了金屬陶瓷材料的組織增韌方法。 （6）系統(tǒng)研究各種成分金屬陶瓷材料原料、制粒方法、燒結(jié)制度、線膨脹系數(shù)、壓制壓力、壓坯密度和產(chǎn)品尺寸及形狀的關(guān)系，建立了金屬陶瓷產(chǎn)品燒結(jié)成型數(shù)據(jù)庫(kù)，用于指導(dǎo)金屬陶瓷材料制品制備。 （7）在配方中引入AlN納米線，使Ti（C，N）基金屬陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中形成一種高溫下穩(wěn)定的化合物（TiAIN），其具有有效隔絕硬質(zhì)相中Ti、N、C原子向外擴(kuò)散的作用，從而有效抑制Ti、N、C原子在粘接相中溶解和析出，降低了氮碳化鈦在粘接相中的溶解度，減少氮碳化鈦在粘接相中溶解析出再長(zhǎng)大導(dǎo)致的N分解，增強(qiáng)氮碳化鈦的穩(wěn)定性，使氮碳化鈦晶粒得到細(xì)化，提高Ti（C，N）基金屬陶瓷的硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。

2、實(shí)用性（20%）

該本項(xiàng)目根據(jù)目前市場(chǎng)上主流硬質(zhì)合金刀具的相應(yīng)技術(shù)參數(shù)以及企業(yè)對(duì)自身金屬陶瓷刀具的技術(shù)要求，目前產(chǎn)品中試階段出來(lái)的產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到如下所示水平： 密度：7.07g/cm~7.15g/cm； 致密度：99.8%； 硬度（HRA）：91.5~93.5； 抗彎強(qiáng)度：（MPA）：>2000； 抗裂韌性（MPam1/2）：≥12.3； 高溫硬度（HV20）：1580（室溫）、1530（200℃）、1450（400℃）、1330（600℃）、1133（800℃）。 預(yù)計(jì)在項(xiàng)目完成時(shí)（產(chǎn)品達(dá)產(chǎn)時(shí)），產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)仍然能保持這個(gè)技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)還能在個(gè)別技術(shù)指標(biāo)上得到進(jìn)一步優(yōu)化和改善。 將本項(xiàng)目研制的Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具與日韓品牌刀具相比，本項(xiàng)目制備出的產(chǎn)品材料致密度更高、組分也更加均勻。 除此之外，項(xiàng)目產(chǎn)品還具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）刀具在切削過(guò)程中可以有效地避免粘刀、劃痕和切削結(jié)瘤等加工缺陷。 （2）良好的后刀面抗磨損性能可以使刀具在高速切削下依然保持較長(zhǎng)的

3、環(huán)保性（20%）

目前國(guó)內(nèi)切削刀具百分之六十以上采用硬質(zhì)合金為材料，這種材料大量消耗W、Co等稀缺的戰(zhàn)略資源，本已稀少的貴金屬正面臨著消耗殆盡的危機(jī)。業(yè)界已知，鈦在地殼中含量為千分之六，比銅多61倍，元素豐度含量排在第10位。釩的含量約占地殼構(gòu)成的0.02%，比銅、錫、鋅、鎳的含量都多。鎳在地殼中含量不小，國(guó)內(nèi)鎳金屬基礎(chǔ)儲(chǔ)量230萬(wàn)噸左右。 作為目前刀具材料的主力軍，碳化鎢資源日近枯竭。政府早已限制出口。因此，本項(xiàng)目中所研制生產(chǎn)的金屬陶瓷刀具主要采用鈦和釩作為最基本的材料，減少對(duì)碳化鎢的依賴，順應(yīng)了國(guó)家資源政策的需求。為節(jié)約國(guó)家寶貴資源作出自己的一份貢獻(xiàn)，同時(shí)，在為客戶提供優(yōu)質(zhì)解決方案的同時(shí)，也時(shí)刻銘記對(duì)社會(huì)和環(huán)境的責(zé)任，以最小的環(huán)境犧牲，換取極大的社會(huì)效益。

4、經(jīng)濟(jì)性（20%）

預(yù)計(jì)在該項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，將達(dá)到年生產(chǎn)能力600萬(wàn)片，實(shí)現(xiàn)年銷售收入6000萬(wàn)元，年利潤(rùn)總額1800萬(wàn)元，年稅收216萬(wàn)元。