一種納米復合陶瓷刀具材料及其制備方法

專利名稱：一種納米復合陶瓷刀具材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種納米復合陶瓷刀具材料及其制備方法，屬于陶瓷刀具材料技術領域。
技術背景陶瓷刀具硬度高、耐磨性能好，不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，并且化學穩(wěn)定性好，在難加工材 料的加工領域具有硬質(zhì)合金刀具無法比擬的優(yōu)勢。同時，陶瓷刀具主要成分鋁、硅等元素來 源廣泛，開發(fā)和使用陶瓷刀具可以節(jié)約戰(zhàn)略性貴重金屬(主要是鉤)的消耗。但是，陶瓷刀 具材料自身固有的脆性限制了它的應用范圍，在加工中刀具常常因破損而失效。因此，研究 如何在保持陶瓷刀具材料原有優(yōu)點的基礎上提高其斷裂韌性和抗彎強度就變得很有意義。另一方面，現(xiàn)代制造技術正向著高速切削的方向發(fā)展，然而很高的切削速度致使刀具承 受更高的切削溫度，此時刀具材料的熱性能(包括刀具的熔點、耐熱性、抗氧化性、高溫力 學性能、抗熱沖擊性能等)成為決定刀具壽命的主要因素。因此，尋找提高刀具材料熱性能 尤其是高溫力學性能的途徑具有重要意義?！独砘瘷z測-物理分冊》在2002年38(9) :378-380頁公開的《TiC與TiC-WC的添加對 FeAl/Al20，復合材料力學性能的影響》通過在FeAl/Al"3復合材料基體中添加TiC-WC固溶體 同時提高了材料的抗彎強度和斷裂韌性。公開號為CN1059328A的中國專利申請公開了一種《一種陶瓷刀具材料》，是選用氧化鋁 作為耐磨相，碳化鎢、碳化鈦飽和固溶體作為硬質(zhì)相，優(yōu)選合適的金屬組份鈷(或鎳)、tfl (或 鵒)、鋁和鈦等以加強材料組織的接合，并添加晶粒生長抑制劑以阻止晶粒長大，制各出種 可加工多種淬硬鋼、高強度鋼等難加工材料的刀具材料。雖然以TiC-WC固溶體形式添加硬質(zhì)相在一定程度上可以提高硬度，但是不便T調(diào)整硬質(zhì) 相的相對含量；而且，目前技術水平難以獲得納米級TiC-WC固溶體，無法利月]納米粒了增強 增韌的特點。雖然在復合陶瓷材料中添加部分金屬可以加強材料組織的接合強度，但僅限r(nóng) 在低溫下提高強度，仍然無法提高材料的髙溫力學性能。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有陶瓷刀具材料在高溫力學性能方面存在的不足，提供一種適合高速硬切 削的納米復合陶瓷刀具材料，同時提供一種該材料的制備方法，旨在保持陶瓷刀具材料原有 優(yōu)點的條件下，改善陶瓷刀具材料的綜合力學性能、特別是高溫力學性能。本發(fā)明的納米復合陶瓷刀具材料按體積百分比包括54%~64%的微米A1A、 21% 40.5% 的納米TiC、 3.5")i 18W的微米WC、 0. 5%的微米MgO和0. 5%的微米NiO。納米TiC的中位粒徑為140納米。納米TiC和微米WC體積之和占整個材料組成體積的30~45%。 上述納米復合陶瓷刀具材料的制備方法包括以下步驟(l)配料:按體積百分比分別取54 64%的微米A1203、 21~40.5%的納米TiC、 3. 5 18% 的微米WC、 0. 5%的微米MgO和0. 5%的微米NiO，納米TiC粉末的中位粒徑為140納米；(2) 納米TiC顆粒的分散首先以分子量為4000的聚乙二醇(PEG)為分散劑，以去離子 水為分散介質(zhì)，配制含聚乙二醇質(zhì)量百分比為0. 0335%的水溶液；將TiC粉末加入到配制的 水溶液中配成TiC質(zhì)量百分比為6. 7%的懸浮液，將懸浮液放在超聲分散攪拌機上分散15 20分鐘，取下后采用氨水滴定法將懸浮液的PH值調(diào)整為9. 5 10,使懸浮液呈堿性；(3) 混料將所取微米A1A、 WC、 MgO和NiO與步驟(2)中配制好的懸浮液進行混合，放 在超聲分散攪拌機上分散20 30分鐘后倒入混料桶中，在球磨機上混合48 72小時，再經(jīng) 過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合粉末料；(4) 燒結(jié)采用熱壓燒結(jié)工藝，在氮氣保護氣氛中將步驟(3)制備的復合粉末料燒結(jié)，在 從室溫加熱到保溫階段溫度時，升溫速度為75、5'C/分鐘，壓力平穩(wěn)均勻地加至30MPa:保 溫階段溫度為1650~1750卩，壓力30MPa,保溫時間10~30分鐘。通過以上步驟，可制得粒度分布均勻、硬度高、抗彎強度高、斷裂韌性好的氧化鋁-碳化 鈦-碳化鎢納米復合陶瓷刀具材料。本發(fā)明通過向微米級A1A中添加納米級TiC顆粒和微米級WC顆粒，并控制納米級TiC 顆粒和微米級WC顆粒的體積含量，以MgO和NiO作為助燒結(jié)劑和晶粒生長抑制劑，優(yōu)化熱壓 燒結(jié)工藝，成功制備出高性能納米復合陶瓷刀具材料。Al203基體以部分納米TiC顆粒為核生 長形成晶內(nèi)型組織結(jié)構(gòu)，其余粒徑較大的TiC顆粒和大部分WC顆粒均勻分布在A1A顆粒周 圍形成晶間型組織結(jié)構(gòu)，獨特的微觀組織結(jié)構(gòu)提高了材料的強度和斷裂韌性，納米TiC顆粒 的加入細化了晶粒，強化了晶界強度。制備的納米復合陶瓷刀具材料具有粒度分布均勻、硬 度高、抗彎強度高、斷裂韌性好的特點，其維氏硬度、抗彎強度和斷裂韌性可分別達到20GPa、 860MPa和5. 9MPa.m"2。
具體實施方式
實施例l按體積百分比取60%的微米AlA(0.5um) 、 21%的納米TiC(140咖)，18%的微米 WC(0.4um)、 0. 5%的微米MgO和0. 5%的微米NiO。以聚乙二醇為分散劑，以去離子水為分散 介質(zhì)，配制含聚乙二醇質(zhì)量百分比為0.0335%的水溶液；將碳化鈦粉末加入到該水溶液中配 成TiC質(zhì)量百分比為6. 7%的懸浮液，放在超聲分散攪拌機上分散15 20分鐘，取下后將懸 浮液的PH值調(diào)整為9.5 10，使懸浮液呈堿性。將微米A1A、 WC、 MgO和NiO與配制好的懸 浮液進行混合，放在超聲分散攪拌機上分散20 30分鐘后倒入混料桶中，在行星式球磨機上 混合48 72小時，再經(jīng)過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合粉末料。采用熱壓燒結(jié)工藝， 在高純度氮氣保護氣氛中燒結(jié)，以升溫速度為75 8(TC/分鐘升溫至保溫溫度，壓力均勻加至 30MPa;保溫溫度為165(Tl75(TC,壓力30MPa，保溫時間10分鐘。經(jīng)檢測所得納米復合陶瓷刀具材料的力學性能為硬度HV19 20GPa,抗彎強度 830 860MPa，斷裂韌性為5. 3~5. 9MPa m1/2。實施例2:按體積百分比取64%的微米AlA(0.5ixm)、 3L596的納米TiC(140nm) , 3. 5%的微米 WC(0.4um)、 0. 5%的微米MgO和0. 5W的微米NiO。按與實施例1相同的工藝及參數(shù)進行分散， 得到PH值為9.5 10的TiC懸浮液。再將微米Al203、 WC、 MgO和NiO與配制好的懸浮液進行混合，放在超聲分散攪拌機上分散20 30分鐘后倒入混料桶中，在行星式球磨機上混合60 72小時，再經(jīng)過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合粉末料。將復合粉末料采用熱壓燒結(jié) 工藝，在高純度氮氣保護氣氛中燒結(jié)，以升溫速度為75~80"/分鐘升溫至保溫溫度，壓力均 勻加至30MPa;保溫溫度為165(Tl750'C,壓力30MPa,保溫時間30分鐘。經(jīng)檢測所得納米復合陶瓷刀具材料的力學性能為硬度HV2(T21GPa，抗彎強度 760 800MPa,斷裂韌性為5. 0~5. 4MPa ra1/2。實施例3按體積百分比取5戰(zhàn)的微米Al203(0. 5u m) 、409&的納米TiC(140nm) 、5X的微米WC(0. m)、 0. 5%的微米MgO和0. 5%的微米NiO。按與實施例1相同的工藝及參數(shù)進行分散，得到PH值為 9. 5 10的TiC懸浮液。再將微米A1A、 WC、 MgO和NiO與配制好的懸浮液進行混合，放在 超聲分散攪拌機上分散20 30分鐘后倒入混料桶中，在行星式球磨機上混合60 72小時， 再經(jīng)過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合粉末料。將復合粉末料采用熱壓燒結(jié)工藝，在 高純度氮氣保護氣氛中燒結(jié)，以升溫速度為75~80*0/分鐘升溫至保溫溫度，壓力均勻加至 30MPa;保溫溫度為165(Tl7501C,壓力30MPa，保溫時間20分鐘。經(jīng)檢測所得納米復合陶瓷刀具材料的力學性能為硬度HV21 22GPa，抗彎強度 730 770MPa，斷裂韌性為4.8 5. 2MPa m1/2。實施例4用實施例1制備的納米復合陶瓷刀具材料制成的納米復合陶瓷刀具與市售的氧化鋁一碳 化鎢鈦組合陶瓷刀具進行了切削對比實驗。車削淬火45鋼(HRC40 44)時，切削速度 300m/min，切削深度0. 2mm,進給量0. lmra/r。本發(fā)明實施例1刀具切削時間38min,后刀面 磨損量VB為0. 3mm;市售氧化鋁——碳化鎢鈦組合陶瓷刀具切削時間27min,后刀面磨損量 VB為0.31咖。車削淬火T10A時(HRC)時，切削速度110m/rain，切削深度0.15mm,進給量 0.1咖/r。本發(fā)明實施例1刀具切削時間22min,后刀面磨損量VB為0. 31ram;市售氧化鋁一 一碳化鎢鈦組合陶瓷刀具切削時間10min，后刀面磨損量VB為0. 33咖。
權利要求
1. 一種納米復合陶瓷刀具材料，其特征是按體積百分比包括54％～64％的微米Al2O3、21％～40.5％的納米TiC、3.5％～18％的微米WC、0.5％的微米MgO和0.5％的微米NiO。
2. 根據(jù)權利要求1所述的納米復合陶瓷刀具材料，其特征是所述納米T1C的中位粒徑為 140納米。
3. 根據(jù)權利要求1所述的納米復合陶瓷刀具材料，其特征是所述納米TiC和微米WC的體 積之和占整個材料組成體積的30 45%。
4. 一種權利要求1所述納米復合陶瓷刀具材料的制備方法，其特征是包括以下步驟(1) 配料按體積百分比分別取54~64%的微米A1203、 21 40. 5%的納米TiC、 3.5 18% 的微米WC、 0. 5%的微米MgO和0. 5%的微米Ni0，納米TiC粉末的中位粒徑為140納米；(2) 納米TiC顆粒的分散首先以分子量為4000的聚乙二醇為分散劑，以去離子水為分 散介質(zhì)，配制含聚乙二醇質(zhì)量百分比為0.0335%的水溶液；將TiC粉末加入到配制的水溶液 中配成TiC質(zhì)量百分比為6. 7%的懸浮液，將懸浮液放在超聲分散攪拌機上分散15 20分鐘， 取下后采用氨水滴定法g浮液的PH值調(diào)整為9. 5 10,使懸浮液呈堿性；(3) 混料將所取微米A1必、WC、 MgO和NiO與步驟(2)中配制好的懸浮液進行混合，放 在超聲分散攪拌機上分散20 30分鐘后倒入混料桶中，在球磨機上混合48 72小時，再經(jīng) 過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合粉末料；(4) 燒結(jié)采用熱壓燒結(jié)工藝，在氮氣保護氣氛中將步驟(3)制備的復合粉末料燒結(jié)，在 從室溫加熱到保溫階段溫度時，升溫速度為75 85'C/分鐘，壓力平穩(wěn)均勻地加至30MPa;保 溫階段溫度為165(Tl750X:，壓力30MPa，保溫時間10~30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種納米復合陶瓷刀具材料及其制備方法。該納米復合陶瓷刀具材料按體積百分比包括54％～64％的微米Al₂O₃、21％～40.5％的納米TiC、3.5％～18％的微米WC、0.5％的微米MgO和0.5％的微米NiO。其制備方法包括(1)配料，(2)納米TiC顆粒的分散，(3)混料，得到復合粉末料；(4)燒結(jié)采用熱壓燒結(jié)工藝，在氮氣保護氣氛中燒結(jié)。本發(fā)明通過向微米級Al₂O₃中添加納米級TiC顆粒和微米級WC顆粒，并控制納米級TiC顆粒和微米級WC顆粒的體積含量，以MgO和NiO作為助燒結(jié)劑和晶粒生長抑制劑，成功制備出高性能納米復合陶瓷刀具材料，該材料具有較高的力學性能，其維氏硬度、抗彎強度和斷裂韌性可分別達到20GPa、860MPa和5.9MPa·m^1/2。
文檔編號C04B35/117GK101265079SQ200810015928
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月29日 優(yōu)先權日2008年4月29日
發(fā)明者周詠輝, 袁訓亮, 軍 趙 申請人:山東大學