廢舊Ti(C,N)基金屬陶瓷材料的回收與再生方法
【專利摘要】一種廢舊Ti(C,N)基金屬陶瓷材料的回收與再生方法。本發(fā)明的特征在于包括如下步驟：將廢舊的Ti(C,N)基金屬陶瓷清洗干凈，先后采用圓錐慣性破碎機(jī)和密封式振動粉碎機(jī)將其粉碎成粒徑為150-200目的粉料；在上述經(jīng)過粉碎的廢舊Ti(C,N)基金屬陶瓷粉料中分別加入石墨、Ni、Mo、FeB粉末；上述回收再生料依次經(jīng)球磨、加入成型劑、干燥、造粒、成型、脫脂和真空燒結(jié)得到再生Ti(C,N)基金屬陶瓷材料。本發(fā)明工藝過程簡單，對生產(chǎn)設(shè)備無特殊要求，制造成本低廉，對環(huán)境無污染，所制備的再生Ti(C,N)基金屬陶瓷材料的綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過了原金屬陶瓷的水平。
【專利說明】廢舊Ti (C, N)基金屬陶瓷材料的回收與再生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷材料的回收與再生方法，屬于粉末冶金【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]Ti (C，N)基金屬陶瓷不但具有較高的硬度、耐磨性、紅硬性，而且還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，與金屬間的摩擦系數(shù)也很低，是硬質(zhì)合金的理想升級替代材料。與WC-Co硬質(zhì)合金相比，其紅硬性好，高溫強(qiáng)度高，其密度(6.0~6.8kg/cm3)比硬質(zhì)合金(13.0~15.0kg/cm3)大大降低，熱膨脹系數(shù)高于WC — Co硬質(zhì)合金；其抗氧化性能、耐酸堿腐蝕的能力極好，大大優(yōu)于WC-Co硬質(zhì)合金；其耐磨擦磨損性能優(yōu)異，且其穩(wěn)定磨損期很長，明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金。如用作刀具，與常用的硬質(zhì)合金相比，它在以下幾個(gè)方面有明顯的優(yōu)勢:可以允許有較高的切削速度和較大的進(jìn)刀量，被加工件有較好的表面性能，刀具的耐磨性能更高；如用于制造高溫結(jié)構(gòu)件和耐磨耐蝕工件，其使用壽命也大大長于硬質(zhì)合金。另一方面，生產(chǎn)硬質(zhì)合金的主要原料W、Co屬于戰(zhàn)略物質(zhì)，且W、Co物質(zhì)消耗量大，制造成本高，而生產(chǎn)Ti (C，N)基金屬陶瓷所用原材料較易獲得，不含或僅含少量W、Co等物質(zhì)，制造成本低廉。因此，近年來，日本、美國、瑞典等發(fā)達(dá)國家非常重視Ti (C，N)基金屬陶瓷的研發(fā)及生產(chǎn)應(yīng)用。據(jù)日本超硬工具協(xié)會統(tǒng)計(jì)，自本世紀(jì)初以來，所有的硬質(zhì)工具材料中，Ti (C，N)基金屬陶瓷的市場占有率增長得最快。
[0003]從上世紀(jì)九十年代開始，我國有關(guān)部門也投入大量力量并已研制開發(fā)出一些牌號的Ti (C，N)基金屬陶瓷刀具，其在工模具市場上的占有量逐年增長，在耐磨結(jié)構(gòu)件、密封環(huán)等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。
[0004]隨著該材料使用范圍的日益增加，失效廢棄的Ti (C，N)基金屬陶瓷材料也會越來越多，如不加以回收再利用，其不但會污染環(huán)境，而且還會造成資源的浪費(fèi)。
[0005]因而研發(fā)有效的Ti (C，N)基金屬陶瓷回收和再生技術(shù)，無疑具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。
[0006]由于Ti (C，N)基金屬陶瓷的研發(fā)和使用時(shí)間大大短于WC-Co硬質(zhì)合金，因而對其回收及再生技術(shù)的研究極少。目前僅開展了利用無機(jī)酸溶解、焙燒、浸取、結(jié)晶、沉淀等方法從廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷中分離N1、T1、W、Mo等金屬成分，并制備雜多酸等化學(xué)試劑的研究。該技術(shù)工藝過程復(fù)雜，要經(jīng)過多次洗滌和純化，才能使產(chǎn)物達(dá)到一定的純度；分離過程中會產(chǎn)生大量污染物。另外，分離出的T1、W、Mo等元素還要經(jīng)過碳化或氮化，才能制備出生產(chǎn)Ti (C，N)基金屬陶瓷所需要的原料TiC、TiN, WC, Mo2C等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種回收廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷及再利用的方法，也就是利用廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷制備復(fù)合粉，然后以此復(fù)何粉為主要原料制備性能優(yōu)良的金屬陶瓷塊體材料的方法。[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案依次包括如下步驟:
[0009]步驟1、將廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷清洗干凈，在空氣中干燥；采用圓錐慣性破碎機(jī)破碎上述廢舊金屬陶瓷，使破碎后塊體的最大尺寸小于IOmm ;然后采用密封式振動粉碎機(jī)將上述塊體進(jìn)一步粉碎成平均粒徑為150~200目的粉料；
[0010]步驟2、在上述經(jīng)過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粉末的加入量分別為:若廢舊金屬陶瓷重量為A，廢舊金屬陶瓷中Ni的重量百分含量為x%,則混合配料中石墨的加入量為AX (0.4%~
0.6% ) ；Ni 的加入量為 AXx% (10%~15% ) ；Mo 的加入量為 AX (2.5%~3.5% ) ；FeB的加入量為AX (1.5%~2.0% )；
[0011]步驟3、上述混合料經(jīng)球磨、加入成型劑、干燥、造粒、壓制成型、脫脂工序，然后進(jìn)行真空燒結(jié)得到再生塊體Ti (C，N)基金屬陶瓷；
[0012]其中所述的真空燒結(jié)在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行，所述的真空燒結(jié)分為兩個(gè)階段，首先將成型壓坯升溫至1100°C，保溫6h，該階段的真空度高于2.0 X IO-2Pa ;然后直接升溫至終燒溫度，終燒溫度比步驟I所述相應(yīng)成分的廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷的正常燒結(jié)溫度低20~30°C，保溫50~70min，該階段的真空度高于2.0X KT1Patj
[0013]本發(fā)明提供了一種Ti (C，N)基金屬陶瓷的回收與再生方法。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，首先采用圓錐慣性破碎 機(jī)將清洗干凈的廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷破碎成最大尺寸小于IOmm的塊體，然后采用密封式振動粉碎機(jī)將上述塊體進(jìn)一步粉碎成平均粒徑為150~200目的粉料。在采用圓錐慣性破碎機(jī)破碎廢舊金屬陶瓷時(shí)，圓錐破動錐在偏心套帶動作用下做旋擺運(yùn)動，帶動破碎壁對與軋白壁間的物料進(jìn)行擠壓、搓碾，物料受到多個(gè)方向的作用力，因而破碎大塊物料的效率很高，且比較適合將物料破碎至IOmm以下的尺寸。密封式振動粉碎機(jī)運(yùn)行是依據(jù)振動研磨機(jī)的原理，料桶中的研磨環(huán)在離心力的作用下加速，通過撞擊力、擠壓力和摩擦力把塊體材料研磨成較細(xì)的粉末。因而綜合利用上述兩種破碎方法的優(yōu)勢，可以在盡量短的時(shí)間內(nèi)，高效地將廢舊金屬陶瓷破碎成粒徑為150~200目的粉料，使金屬陶瓷破碎過程中帶入的Fe、O等雜質(zhì)較少。
[0014]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，在上述經(jīng)過破碎的回收粉料中加入適量的石墨、N1、Mo、FeB粉末。在粉碎和制備混合料的過程中，粉末中吸附氧含量有所增加，石墨的加入是為了在加熱燒結(jié)過程中脫出粉末表面的吸附氧；在真空液相燒結(jié)過程中，有一定量的Ni揮發(fā)而損失，因而需加入適量的Ni進(jìn)行補(bǔ)償；在廢舊金屬陶瓷破碎和研磨過程中，粉料中會帶入少量的Fe等雜質(zhì)，但是在Ti (C，N)基金屬陶瓷中，F(xiàn)e是有害物質(zhì)，會明顯降低金屬相與硬質(zhì)相之間的潤濕性，加入適量的Mo、FeB，會使材料在加升溫?zé)釤Y(jié)過程中順序發(fā)生如下反應(yīng):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上述反應(yīng)的發(fā)生，使材料在較低的燒結(jié)溫度下就產(chǎn)生了液相，有利于顆粒發(fā)生重排，促進(jìn)了致密化過程的進(jìn)行，同時(shí)使金屬陶瓷最終燒結(jié)體的金屬粘結(jié)相中Fe的含量大幅度降低，從而使Fe對潤濕性的有害影響大大降低，且原位生成的Mo2FeB2還有利于金屬陶瓷硬度的提高。
[0015]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，在真空燒結(jié)過程中，將材料在高真空環(huán)境中，于1100°C進(jìn)行了較長時(shí)間的保溫，使粉料中的氧盡可能得以脫出；另一方面，由于廢舊金屬陶瓷曾經(jīng)經(jīng)歷過整個(gè)燒結(jié)過程，固溶于Ni基粘結(jié)相中的其它合金元素含量相對較高，因而回收料的液相點(diǎn)低于原生粉料的液相點(diǎn)，因而對于回收料，采用的終燒溫度低于原金屬陶瓷的燒結(jié)溫度。
[0016]所述相應(yīng)成分的廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷的正常燒結(jié)溫度低25°C。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該燒結(jié)溫度下所制備出的再生金屬陶瓷的綜合力學(xué)性能相對較高。
[0017]所述的步驟I中所采用的圓錐慣性破碎機(jī)和密封式振動粉碎機(jī)中的裝料桶內(nèi)襯板為既耐沖擊又耐磨的高錳鋼，從而使廢舊料破碎過程中帶入的雜質(zhì)較少。
[0018]所述步驟3中球磨、加入成型劑、干燥、造粒、壓制成型、脫脂具體工藝過程如下:
[0019]球磨在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為180~220rpm，時(shí)間為24h ；
[0020]加入成型劑聚乙烯醇，加入量為1.5~2wt%，干燥后過篩造粒；
[0021]造粒在可傾式圓筒制粒機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為25~30rpm,圓筒與水平面的夾角為30。；
[0022]采用模壓成型，壓制成型所用的壓力為200MPa ；
[0023]脫脂工序在真空度高于IOPa的條件下進(jìn)行，在200~400°C之間的升溫速度為
0.3 ~0.4°C /mirio
[0024]本發(fā)明所述一種廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷材料的回收與再生的方法，與現(xiàn)有金屬陶瓷回收及再生方法相比，具有如下優(yōu)勢:(I)無需利用無機(jī)酸溶解、焙燒、浸取、結(jié)晶、沉淀等方法從廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷中分離出有用的金屬成分，只需直接對廢舊料進(jìn)行破碎和研磨，即可作為主要原料制備金屬陶瓷。大大減少了工藝過程，降低了制造成本；(2)由于廢舊金屬陶瓷曾經(jīng)經(jīng)歷過整個(gè)燒結(jié)過程，使用其回收料(并添加其它必要的組元)，通過再次燒結(jié)得到的再生金屬陶瓷中，陶瓷相顆粒表面的環(huán)形相變得更完整且更均勻，有利于提高陶瓷相與金屬粘結(jié)相之間的潤濕性，使所制備的再生Ti (C，N)基金屬陶瓷材料的綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過了原金屬陶瓷的水平；(3)本發(fā)明的工藝過程的各個(gè)環(huán)節(jié)對環(huán)境無污染，對操作工人的健康無不利影響；(4)本發(fā)明的工藝過程簡單，對生產(chǎn)設(shè)備無特殊要求，有利于工業(yè)推廣應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)效果。
[0026]表1是3種成分配方的混合料，所采用的原料為TiC、TiN, N1、Mo、Cr3C2, WC、C原生料，均為微米粉。
[0027]表1 3種Ti (C，N)基金屬陶瓷混合料的成分配比(質(zhì)量配比)
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷材料的回收與再生方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、將廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷清洗干凈，在空氣中干燥；采用圓錐慣性破碎機(jī)破碎上述廢舊金屬陶瓷，使破碎后塊體的最大尺寸小于IOmm ;然后采用密封式振動粉碎機(jī)將上述塊體進(jìn)一步粉碎成平均粒徑為150~200目的粉料； 步驟2、在上述經(jīng)過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粉末的加入量分別為:若廢舊金屬陶瓷重量為A，廢舊金屬陶瓷中Ni的重量百分含量為x%，則混合配料中石墨的加入量為AX (0.4%~0.6%)；Ni的加入量為AXx % X (10%~15%) ；Mo的加入量為AX (2.5%~3.5%) ；FeB的加入量為AX (1.5% ~2.0%)； 步驟3、上述混合料經(jīng)球磨、加入成型劑、干燥、造粒、壓制成型、脫脂工序，然后進(jìn)行真空燒結(jié)得到再生塊體Ti (C，N)基金屬陶瓷； 其中所述的真空燒結(jié)在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行，所述的真空燒結(jié)分為兩個(gè)階段，首先將成型壓坯升溫至1100°C，保溫6h，該階段的真空度高于2.0X 10_2Pa ;然后直接升溫至終燒溫度，終燒溫度比步驟I所述相應(yīng)成分的廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷的正常燒結(jié)溫度低20~.300C，保溫50~70min，該階段的真空度高于2.0X lO^a。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢舊Ti(C，N)基金屬陶瓷的回收與再生的方法，其特征在于，所述步驟3中的終燒溫度比步驟I所述相應(yīng)成分的廢舊Ti (C，N)基金屬陶瓷的正常燒結(jié)溫度低25 °C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢舊Ti(C，N)基金屬陶瓷的回收與再生的方法，其特征在于，所述的步驟I中所采用的圓錐慣性破碎機(jī)和密封式振動粉碎機(jī)中的裝料桶內(nèi)襯板為高錳鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢舊Ti(C，N)基金屬陶瓷的回收與再生的方法，其特征在于:所述步驟3中球磨、加入成型劑、干燥、造粒、壓制成型、脫脂具體工藝過程如下: 球磨在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為180~220rpm，時(shí)間為24h ； 加入成型劑聚乙烯醇，加入量為1.5~2wt%，干燥后過篩造粒； 造粒在可傾式圓筒制粒機(jī)中進(jìn)行,轉(zhuǎn)速為25~30rpm,圓筒與水平面的夾角為30° ; 采用模壓成型，壓制成型所用的壓力為200MPa ； 脫脂工序在真空度高于IOPa的條件下進(jìn)行，在200~400°C之間的升溫速度為0.3~ .0.4°C /min0
【文檔編號】C22C29/04GK104018017SQ201410229616
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】鄭勇, 呂學(xué)鵬, 周偉, 趙毅杰 申請人:南京航空航天大學(xué)