废旧Ti(C,N)基金属陶瓷材料的回收与再生方法
【专利摘要】一种废旧Ti(C,N)基金属陶瓷材料的回收与再生方法。本发明的特征在于包括如下步骤：将废旧的Ti(C,N)基金属陶瓷清洗干净，先后采用圆锥惯性破碎机和密封式振动粉碎机将其粉碎成粒径为150-200目的粉料；在上述经过粉碎的废旧Ti(C,N)基金属陶瓷粉料中分别加入石墨、Ni、Mo、FeB粉末；上述回收再生料依次经球磨、加入成型剂、干燥、造粒、成型、脱脂和真空烧结得到再生Ti(C,N)基金属陶瓷材料。本发明工艺过程简单，对生产设备无特殊要求，制造成本低廉，对环境无污染，所制备的再生Ti(C,N)基金属陶瓷材料的综合力学性能达到或超过了原金属陶瓷的水平。
【专利说明】废旧Ti (C, N)基金属陶瓷材料的回收与再生方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种废旧Ti (C，N)基金属陶瓷材料的回收与再生方法，属于粉末冶金【技术领域】。
【背景技术】
[0002]Ti (C，N)基金属陶瓷不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性，而且还具有优良的化学稳定性，与金属间的摩擦系数也很低，是硬质合金的理想升级替代材料。与WC-Co硬质合金相比，其红硬性好，高温强度高，其密度(6.0~6.8kg/cm3)比硬质合金(13.0~15.0kg/cm3)大大降低，热膨胀系数高于WC — Co硬质合金；其抗氧化性能、耐酸碱腐蚀的能力极好，大大优于WC-Co硬质合金；其耐磨擦磨损性能优异，且其稳定磨损期很长，明显优于硬质合金。如用作刀具，与常用的硬质合金相比，它在以下几个方面有明显的优势:可以允许有较高的切削速度和较大的进刀量，被加工件有较好的表面性能，刀具的耐磨性能更高；如用于制造高温结构件和耐磨耐蚀工件，其使用寿命也大大长于硬质合金。另一方面，生产硬质合金的主要原料W、Co属于战略物质，且W、Co物质消耗量大，制造成本高，而生产Ti (C，N)基金属陶瓷所用原材料较易获得，不含或仅含少量W、Co等物质，制造成本低廉。因此，近年来，日本、美国、瑞典等发达国家非常重视Ti (C，N)基金属陶瓷的研发及生产应用。据日本超硬工具协会统计，自本世纪初以来，所有的硬质工具材料中，Ti (C，N)基金属陶瓷的市场占有率增长得最快。
[0003]从上世纪九十年代开始，我国有关部门也投入大量力量并已研制开发出一些牌号的Ti (C，N)基金属陶瓷刀具，其在工模具市场上的占有量逐年增长，在耐磨结构件、密封环等领域的应用也越来越多。
[0004]随着该材料使用范围的日益增加，失效废弃的Ti (C，N)基金属陶瓷材料也会越来越多，如不加以回收再利用，其不但会污染环境，而且还会造成资源的浪费。
[0005]因而研发有效的Ti (C，N)基金属陶瓷回收和再生技术，无疑具有重要的社会意义和经济意义。
[0006]由于Ti (C，N)基金属陶瓷的研发和使用时间大大短于WC-Co硬质合金，因而对其回收及再生技术的研究极少。目前仅开展了利用无机酸溶解、焙烧、浸取、结晶、沉淀等方法从废旧Ti (C，N)基金属陶瓷中分离N1、T1、W、Mo等金属成分，并制备杂多酸等化学试剂的研究。该技术工艺过程复杂，要经过多次洗涤和纯化，才能使产物达到一定的纯度；分离过程中会产生大量污染物。另外，分离出的T1、W、Mo等元素还要经过碳化或氮化，才能制备出生产Ti (C，N)基金属陶瓷所需要的原料TiC、TiN, WC, Mo2C等。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对现有技术的现状，提供一种回收废旧Ti (C，N)基金属陶瓷及再利用的方法，也就是利用废旧Ti (C，N)基金属陶瓷制备复合粉，然后以此复何粉为主要原料制备性能优良的金属陶瓷块体材料的方法。[0008]为实现上述目的，本发明采用的技术方案依次包括如下步骤:
[0009]步骤1、将废旧Ti (C，N)基金属陶瓷清洗干净，在空气中干燥；采用圆锥惯性破碎机破碎上述废旧金属陶瓷，使破碎后块体的最大尺寸小于IOmm ;然后采用密封式振动粉碎机将上述块体进一步粉碎成平均粒径为150~200目的粉料；
[0010]步骤2、在上述经过破碎和粉粹的回收粉料中加入石墨、N1、Mo、FeB粉末，配制成混合料。其中混合料中石墨、N1、Mo、FeB粉末的加入量分别为:若废旧金属陶瓷重量为A，废旧金属陶瓷中Ni的重量百分含量为x%,则混合配料中石墨的加入量为AX (0.4%~
0.6% ) ；Ni 的加入量为 AXx% (10%~15% ) ；Mo 的加入量为 AX (2.5%~3.5% ) ；FeB的加入量为AX (1.5%~2.0% )；
[0011]步骤3、上述混合料经球磨、加入成型剂、干燥、造粒、压制成型、脱脂工序，然后进行真空烧结得到再生块体Ti (C，N)基金属陶瓷；
[0012]其中所述的真空烧结在真空烧结炉中进行，所述的真空烧结分为两个阶段，首先将成型压坯升温至1100°C，保温6h，该阶段的真空度高于2.0 X IO-2Pa ;然后直接升温至终烧温度，终烧温度比步骤I所述相应成分的废旧Ti (C，N)基金属陶瓷的正常烧结温度低20~30°C，保温50~70min，该阶段的真空度高于2.0X KT1Patj
[0013]本发明提供了一种Ti (C，N)基金属陶瓷的回收与再生方法。为实现本发明的目的，首先采用圆锥惯性破碎 机将清洗干净的废旧Ti (C，N)基金属陶瓷破碎成最大尺寸小于IOmm的块体，然后采用密封式振动粉碎机将上述块体进一步粉碎成平均粒径为150~200目的粉料。在采用圆锥惯性破碎机破碎废旧金属陶瓷时，圆锥破动锥在偏心套带动作用下做旋摆运动，带动破碎壁对与轧白壁间的物料进行挤压、搓碾，物料受到多个方向的作用力，因而破碎大块物料的效率很高，且比较适合将物料破碎至IOmm以下的尺寸。密封式振动粉碎机运行是依据振动研磨机的原理，料桶中的研磨环在离心力的作用下加速，通过撞击力、挤压力和摩擦力把块体材料研磨成较细的粉末。因而综合利用上述两种破碎方法的优势，可以在尽量短的时间内，高效地将废旧金属陶瓷破碎成粒径为150~200目的粉料，使金属陶瓷破碎过程中带入的Fe、O等杂质较少。
[0014]为实现本发明的目的，在上述经过破碎的回收粉料中加入适量的石墨、N1、Mo、FeB粉末。在粉碎和制备混合料的过程中，粉末中吸附氧含量有所增加，石墨的加入是为了在加热烧结过程中脱出粉末表面的吸附氧；在真空液相烧结过程中，有一定量的Ni挥发而损失，因而需加入适量的Ni进行补偿；在废旧金属陶瓷破碎和研磨过程中，粉料中会带入少量的Fe等杂质，但是在Ti (C，N)基金属陶瓷中，Fe是有害物质，会明显降低金属相与硬质相之间的润湿性，加入适量的Mo、FeB，会使材料在加升温热烧结过程中顺序发生如下反应:Fe+FeB — Fe2B ；Mo+FeB — Mo2FeB2+Fe ；Mo+Fe2B — Mo2FeB2+3Fe ； y ~Fe+Fe2B —液相(LI)；
Y-Fe+LI+Mo2FeB2 —液相(L2) +Mo2FeB20上述反应的发生，使材料在较低的烧结温度下就产生了液相，有利于颗粒发生重排，促进了致密化过程的进行，同时使金属陶瓷最终烧结体的金属粘结相中Fe的含量大幅度降低，从而使Fe对润湿性的有害影响大大降低，且原位生成的Mo2FeB2还有利于金属陶瓷硬度的提高。
[0015]为实现本发明的目的，在真空烧结过程中，将材料在高真空环境中，于1100°C进行了较长时间的保温，使粉料中的氧尽可能得以脱出；另一方面，由于废旧金属陶瓷曾经经历过整个烧结过程，固溶于Ni基粘结相中的其它合金元素含量相对较高，因而回收料的液相点低于原生粉料的液相点，因而对于回收料，采用的终烧温度低于原金属陶瓷的烧结温度。
[0016]所述相应成分的废旧Ti (C，N)基金属陶瓷的正常烧结温度低25°C。经实验验证该烧结温度下所制备出的再生金属陶瓷的综合力学性能相对较高。
[0017]所述的步骤I中所采用的圆锥惯性破碎机和密封式振动粉碎机中的装料桶内衬板为既耐冲击又耐磨的高锰钢，从而使废旧料破碎过程中带入的杂质较少。
[0018]所述步骤3中球磨、加入成型剂、干燥、造粒、压制成型、脱脂具体工艺过程如下:
[0019]球磨在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180~220rpm，时间为24h ；
[0020]加入成型剂聚乙烯醇，加入量为1.5~2wt%，干燥后过筛造粒；
[0021]造粒在可倾式圆筒制粒机中进行，转速为25~30rpm,圆筒与水平面的夹角为30。；
[0022]采用模压成型，压制成型所用的压力为200MPa ；
[0023]脱脂工序在真空度高于IOPa的条件下进行，在200~400°C之间的升温速度为
0.3 ~0.4°C /mirio
[0024]本发明所述一种废旧Ti (C，N)基金属陶瓷材料的回收与再生的方法，与现有金属陶瓷回收及再生方法相比，具有如下优势:(I)无需利用无机酸溶解、焙烧、浸取、结晶、沉淀等方法从废旧Ti (C，N)基金属陶瓷中分离出有用的金属成分，只需直接对废旧料进行破碎和研磨，即可作为主要原料制备金属陶瓷。大大减少了工艺过程，降低了制造成本；(2)由于废旧金属陶瓷曾经经历过整个烧结过程，使用其回收料(并添加其它必要的组元)，通过再次烧结得到的再生金属陶瓷中，陶瓷相颗粒表面的环形相变得更完整且更均匀，有利于提高陶瓷相与金属粘结相之间的润湿性，使所制备的再生Ti (C，N)基金属陶瓷材料的综合力学性能达到或超过了原金属陶瓷的水平；(3)本发明的工艺过程的各个环节对环境无污染，对操作工人的健康无不利影响；(4)本发明的工艺过程简单，对生产设备无特殊要求，有利于工业推广应用。
【具体实施方式】
[0025]以下结合实例进一步说明本发明的技术效果。
[0026]表1是3种成分配方的混合料，所采用的原料为TiC、TiN, N1、Mo、Cr3C2, WC、C原生料，均为微米粉。
[0027]表1 3种Ti (C，N)基金属陶瓷混合料的成分配比(质量配比)
[0028]
【权利要求】
1.一种废旧Ti (C，N)基金属陶瓷材料的回收与再生方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、将废旧Ti (C，N)基金属陶瓷清洗干净，在空气中干燥；采用圆锥惯性破碎机破碎上述废旧金属陶瓷，使破碎后块体的最大尺寸小于IOmm ;然后采用密封式振动粉碎机将上述块体进一步粉碎成平均粒径为150~200目的粉料； 步骤2、在上述经过破碎和粉粹的回收粉料中加入石墨、N1、Mo、FeB粉末，配制成混合料； 其中混合料中石墨、N1、Mo、FeB粉末的加入量分别为:若废旧金属陶瓷重量为A，废旧金属陶瓷中Ni的重量百分含量为x%，则混合配料中石墨的加入量为AX (0.4%~0.6%)；Ni的加入量为AXx % X (10%~15%) ；Mo的加入量为AX (2.5%~3.5%) ；FeB的加入量为AX (1.5% ~2.0%)； 步骤3、上述混合料经球磨、加入成型剂、干燥、造粒、压制成型、脱脂工序，然后进行真空烧结得到再生块体Ti (C，N)基金属陶瓷； 其中所述的真空烧结在真空烧结炉中进行，所述的真空烧结分为两个阶段，首先将成型压坯升温至1100°C，保温6h，该阶段的真空度高于2.0X 10_2Pa ;然后直接升温至终烧温度，终烧温度比步骤I所述相应成分的废旧Ti (C，N)基金属陶瓷的正常烧结温度低20~.300C，保温50~70min，该阶段的真空度高于2.0X lO^a。
2.根据权利要求1所述的废旧Ti(C，N)基金属陶瓷的回收与再生的方法，其特征在于，所述步骤3中的终烧温度比步骤I所述相应成分的废旧Ti (C，N)基金属陶瓷的正常烧结温度低25 °C。
3.根据权利要求1所述的废旧Ti(C，N)基金属陶瓷的回收与再生的方法，其特征在于，所述的步骤I中所采用的圆锥惯性破碎机和密封式振动粉碎机中的装料桶内衬板为高锰钢。
4.根据权利要求1所述的废旧Ti(C，N)基金属陶瓷的回收与再生的方法，其特征在于:所述步骤3中球磨、加入成型剂、干燥、造粒、压制成型、脱脂具体工艺过程如下: 球磨在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180~220rpm，时间为24h ； 加入成型剂聚乙烯醇，加入量为1.5~2wt%，干燥后过筛造粒； 造粒在可倾式圆筒制粒机中进行,转速为25~30rpm,圆筒与水平面的夹角为30° ; 采用模压成型，压制成型所用的压力为200MPa ； 脱脂工序在真空度高于IOPa的条件下进行，在200~400°C之间的升温速度为0.3~ .0.4°C /min0
【文档编号】C22C29/04GK104018017SQ201410229616
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】郑勇, 吕学鹏, 周伟, 赵毅杰 申请人:南京航空航天大学