氮碳化钛基金属陶瓷新材料的应用----株洲昊坤硬材

氮碳化钛基金属陶瓷新材料是一种高强度的新型材料，可广泛用于数控机床特种刀具和制作型材。该项目通过对专有技术进行转化和实施，研制出相应的产品，并使产品经过研发、小试、中试阶段，最终实现高性能氮碳化钛基金属陶瓷材料的产业化应用。该项目有效解决了Ti（C，N）基金属陶瓷易脱氮、产品致密度差、性能不稳定、缺陷多、量产难度大等一系列行业难题；并通过在配方中引入AlN纳米线，提高了Ti（C，N）基金属陶瓷的硬度、抗弯强度和断裂韧性，技术达到国际先进、国内领先水平。

目前，该项目产品已通过前期的小试阶段，进入小批量中试试验生产阶段。项目中试阶段产品经中国有色金属工业粉末冶金产品质量监督检验中心检验，产品各项性能达标均达到国际水平，并经用户试用，达到用户标准，取得了用户的高度认可。

改项目转化研制的Ti（C，N）基金属陶瓷刀具材料具有高硬度、高强度、优良的高温和耐磨性能、良好的韧性、密度小、红硬性高、高温抗氧化性好等一系列优点，满足汽车、摩托车制造业、模具加工业、轴承加工业、航空航天业、机床业、工程机械、石墨电极、3C电子行业配套等行业市场的需求，并能打破国外企业的市场垄断地位。同时，以Ti（C，N）替代战略稀缺资源钴、钨类材料，也有利于国家的战略安全和资源储备。

作为智能硬件类参赛项目，大赛总决赛评委会给予的相关评估评价信息如下：

1、创新性（40%）

（1）提出合金化新技术，研究出适合各种服役环境下应用的28种金属陶瓷材料； （2）研究金属陶瓷材料三种以上物相调控方法，建立起物相与使用性能的关系，针对各种成分材料形成了Ti（C，N）黑芯相、Ti（W、Mo、Me）C过渡相及Co（Ni）金属粘结相定量技术标准。 （3）通过研究稳氮用化合物的添加，及预反应保护层的形成，稳定Ti（N、C）的化学成分，防止脱氮发生；解决了长期困扰金属陶瓷行业的加工制备过程中Ti（C，N）分解而伴随的脱氮现象造成产品质量控制十分困难的技术难题。 将最优配比原材料进行粉碎并混合，制得粉末混合物后，作为硬质相原料的粉末颗粒是由Ti（C，N）粒芯及WC、Mo2C包覆层构成的，即由WC、Mo2C包覆Ti（C，N）所形成的颗粒，而现有Ti（C，N）基金属陶瓷的硬质相原料则为Ti（C，N）粉或TiC与TiN的混合粉。 相比于现有单纯采用机械混合的方法添加WC、Mo2C，实验组通过物理包覆的方式实现了在Ti（C，N）颗粒的表面覆盖一层WC、Mo2C，因此，在烧结过程中，Ti（C，N）与WC、Mo2C的界面形成较完整的（Ti，W，Mo）（C，N）环形化合物，（Ti，W，Mo）（C，N）在粘接相金属中溶解占位从而阻碍Ti（C，N）中的Ti、N、C原子的扩散，有效抑制Ti、N、C原子在粘接相中的溶解和析出，降低了氮碳化钛在粘接相中的溶解度，减少氮碳化钛在粘接相中溶解析出再长大导致的N分解，增强氮碳化钛的稳定性，使氮碳化钛晶粒细化，提高金属陶瓷的硬度和强韧性。 （4）针对C、O反应和液相存在温度，制定加压烧结工艺制度，形成金属陶瓷材料全致密化的低压烧结技术。 （5）研究金属陶瓷材料的物相及其组成，特别是黑相粒度与材料韧性关系，形成了金属陶瓷材料的组织增韧方法。 （6）系统研究各种成分金属陶瓷材料原料、制粒方法、烧结制度、线膨胀系数、压制压力、压坯密度和产品尺寸及形状的关系，建立了金属陶瓷产品烧结成型数据库，用于指导金属陶瓷材料制品制备。 （7）在配方中引入AlN纳米线，使Ti（C，N）基金属陶瓷在烧结过程中形成一种高温下稳定的化合物（TiAIN），其具有有效隔绝硬质相中Ti、N、C原子向外扩散的作用，从而有效抑制Ti、N、C原子在粘接相中溶解和析出，降低了氮碳化钛在粘接相中的溶解度，减少氮碳化钛在粘接相中溶解析出再长大导致的N分解，增强氮碳化钛的稳定性，使氮碳化钛晶粒得到细化，提高Ti（C，N）基金属陶瓷的硬度、抗弯强度和断裂韧性。

2、实用性（20%）

该本项目根据目前市场上主流硬质合金刀具的相应技术参数以及企业对自身金属陶瓷刀具的技术要求，目前产品中试阶段出来的产品关键技术指标已达到如下所示水平： 密度：7.07g/cm~7.15g/cm； 致密度：99.8%； 硬度（HRA）：91.5~93.5； 抗弯强度：（MPA）：>2000； 抗裂韧性（MPam1/2）：≥12.3； 高温硬度（HV20）：1580（室温）、1530（200℃）、1450（400℃）、1330（600℃）、1133（800℃）。 预计在项目完成时（产品达产时），产品关键技术性能指标仍然能保持这个技术指标，同时还能在个别技术指标上得到进一步优化和改善。 将本项目研制的Ti（C，N）基金属陶瓷刀具与日韩品牌刀具相比，本项目制备出的产品材料致密度更高、组分也更加均匀。 除此之外，项目产品还具有以下优点： （1）刀具在切削过程中可以有效地避免粘刀、划痕和切削结瘤等加工缺陷。 （2）良好的后刀面抗磨损性能可以使刀具在高速切削下依然保持较长的

3、环保性（20%）

目前国内切削刀具百分之六十以上采用硬质合金为材料，这种材料大量消耗W、Co等稀缺的战略资源，本已稀少的贵金属正面临着消耗殆尽的危机。业界已知，钛在地壳中含量为千分之六，比铜多61倍，元素丰度含量排在第10位。钒的含量约占地壳构成的0.02%，比铜、锡、锌、镍的含量都多。镍在地壳中含量不小，国内镍金属基础储量230万吨左右。 作为目前刀具材料的主力军，碳化钨资源日近枯竭。政府早已限制出口。因此，本项目中所研制生产的金属陶瓷刀具主要采用钛和钒作为最基本的材料，减少对碳化钨的依赖，顺应了国家资源政策的需求。为节约国家宝贵资源作出自己的一份贡献，同时，在为客户提供优质解决方案的同时，也时刻铭记对社会和环境的责任，以最小的环境牺牲，换取极大的社会效益。

4、经济性（20%）

预计在该项目建成投产后，将达到年生产能力600万片，实现年销售收入6000万元，年利润总额1800万元，年税收216万元。