/Ti(C,N)復合陶瓷刀具材料及其微波燒結工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及微波燒結材料技術領域，尤其設及到一種Al2〇3/Ti (C，腳復合陶瓷刀 具材料及其微波燒結工藝。
【背景技術】
[0002] Al2〇3基陶瓷刀具材料是一種應用廣泛的高速切削刀具材料，其W高硬度、高耐磨 性、高耐熱性和良好的化學穩定性在高速切削領域和切削澤硬鋼、儀基高溫合金等難加工 材料方面顯示了傳統刀具無法比擬的優勢。眾所周知，Al2〇3/TiC陶瓷刀具在高速切削澤硬 鋼時具有良好的切削性能。與TiC相比，Ti(C，腳具有更優異的力學性能，它既具有TiC的 高硬度又具有TiN的高初性，且Ti(C，腳與金屬的摩擦系數更小，因此，Ti(C，腳更適合用 于制備高速切削用陶瓷刀具。
[0003] 陶瓷刀具的性能取決于刀具材料的微觀組織，而燒結工藝直接影響著陶瓷刀具材 料微觀組織中晶粒尺寸、氣孔大小數量和晶界體積分數等，對材料力學性能至關重要。現 階段，陶瓷刀具材料的傳統燒結方法主要有無壓燒結、熱壓燒結、氣氛壓力燒結和熱等靜壓 燒結，其中最常用的是熱壓燒結。陶瓷刀具材料無壓燒結時，為了使巧體充分致密化，通常 升溫速率慢、燒結溫度高和保溫時間長，運易導致晶粒異常長大，材料力學性能差。另外，長 的燒結周期使得陶瓷刀具生產效率低，刀具成本較高。熱壓燒結和熱等靜壓燒結，燒結過程 中施加的外力促進了致密化，與無壓燒結相比，其燒結溫度降低、保溫時間縮短，晶粒生長 得到一定抑制，微觀組織處于微米級，材料的力學性能大幅度提高，但是其燒結周期依然較 長，能源消耗多，生產效率低。由于熱等靜壓燒結設備昂貴，所W-次性投資較大，生產成本 較高。
[0004] 現階段，對于Al2〇3/Ti (C，腳陶瓷刀具材料的制備均采用傳統燒結方法：熱壓燒結 和氣氛壓力燒結。采用熱壓燒結，在燒結溫度1650°C，保溫時間20min，加壓壓力35MPa時， 制備的Al2〇3/Ti(C，N)陶瓷刀具材料具有較好的綜合力學性能化i，et曰1，SynthesisOf Al2〇3/TiCN-〇. 2% Y2〇3composite by hot pressing, J. Rare. Earth. 25(2007)291-295)。但 是，熱壓燒結材料微觀組織具有各向異性，導致材料使用性能也具有各向異性，熱壓燒結生 產效率低，不利于大規模生產，致使陶瓷刀具成本較高。文獻（Yang et al, Microstruc化re and mechanical properties of gas pressure sintered AlzOs/TiCN composite, Ceram. Int. 33(2007) 1521-1524)通過氣氛壓力燒結方法制備了AlzCVTi把腳陶瓷材料，燒結溫 度1800°C，保溫時間1.化。但是，高的燒結溫度和長的保溫時間導致晶粒異常長大，微觀組 織不均勻，所制得的材料力學性能不高，材料的斷裂初度只有5. 82MPa'mI/2,不能滿足高速 切削對刀具力學性能的要求。
[0005] 微波燒結是新一代的燒結技術，微波燒結是利用微波電磁場與材料微觀結構禪 合產生的熱量使材料快速均勻的無梯度整體加熱到燒結溫度W實現致密化。微波燒結加 熱速率非常快巧0~200°C/min),燒結溫度比傳統燒結溫度低100-300°c，保溫時間短 (0-20min)，燒結周期大大縮短，同時可避免晶粒粗化，顯著提高材料的力學性能。微波燒結 單爐生產量大，平均成本低，同時微波加熱為即開即停加熱，能源利用率極高，環境友好，微 波加熱設備價格適中，運為高性能陶瓷刀具大規模工業化生產創造了條件。
【發明內容】
[0006]本發明旨在提供一種利用微波整體無梯度加熱、促進材料致密及環境友好特性， 實現W更低的成本和更少的環境污染制備出晶粒細小、微觀組織均勻、力學性能優良的 Al2〇3基陶瓷刀具材料及其微波燒結工藝。
[0007]Al2〇3/Ti把腳陶瓷刀具材料的組分質量配比（Wt.% )為：氧化侶（Al2〇3): 61-70% ;碳氮化鐵燈i(C，N)) :25-35% ;儀（Ni) :2-6% ;鋼（Mo) :1-3%。 陽00引上述AlzCVTi把N)陶瓷刀具材料的微波燒結工藝為：
[0009] (1)按比例稱取Al2〇3、Ti把腳、Ni、Mo混合粉末，加入無水乙醇為介質球磨24-48 小時；
[0010] 似球磨結束前1-5小時，向混合粉料中加入聚乙締醇溶液繼續球磨； W11] 做在真空中，80-120°C下進行干燥，將干燥后的混合粉末研磨、過篩； 陽〇1引 （4)將過篩的粉料單向加壓壓制成型，成型壓力為100-500MPa，保壓時間l-3min;
[001引 妨在氮氣氛圍下，通過微波燒結工藝，W30-50°C/min的升溫速率將溫度升至 1500-1650°C，并在此溫度保溫5-15min，隨后隨爐冷卻，制得Al203/Ti把腳復合陶瓷材料。
[0014]步驟（1)中，混合粉末的粒徑均《0.5ym;所述的球磨采用的磨球為氧化侶球；球 料的質量比為7:1-9:1。
[001引步驟似中，所述的聚乙締醇濃度3% -5%，聚乙締醇粉末的質量為混合粉末質量 1%~5%。
[0016] 本發明相對于現有技術相比的具有W下顯著優點：
[0017] (1)與傳統的氣氛壓力燒結和熱壓燒結相比，本發明制備的Al2〇3/Ti(C，N)陶瓷刀 具材料的燒結溫度、保溫時間和燒結周期均得到顯著的降低。運極大地降低了能源消耗，提 高了生產效率，并且克服了傳統熱壓燒結難W實現陶瓷刀具規模化生產的難題，有利于降 低陶瓷刀具的價格，使陶瓷刀具得W推廣應用。
[001引 似本發明在低溫快速條件下獲得致密的Al203/Ti把腳陶瓷刀具材料，由于低的 燒結溫度和短的保溫時間抑制了晶粒長大，部分晶粒處于納米尺度，形成了 "晶內型"結構， 提高了材料力學性能，斷裂初度相比傳統燒結得到提高。
【附圖說明】
[0019] 圖1為實施例4制備的AlzCVTi把腳陶瓷刀具材料斷口SEM形貌；
[0020] 圖2為實施例4為"晶內型"納米Ti把腳顆粒在Al2〇3晶粒中分布的SEM照片；
[0021] 圖3為實施例4為"晶內型"納米Ti把腳顆粒在Al2〇3晶粒中分布的TEM照片。
【具體實施方式】
[0022] 本發明為一種Al2〇3/Ti(C，腳復合陶瓷刀具材料及其微波燒結工藝 陽〇2引 實施例1
[0024]按AI2O3I. 875g、Ti把腳0. 5g、Ni0. 075g、Mo0. 05g進行配料；將稱量后的粉末 裝入行星球磨機中，W無水乙醇為介質用氧化侶球球磨24小時；在球磨結束前2小時向混 合粉料中加入濃度為3%的聚乙締醇溶液，聚乙締醇的質量為混合粉末質量1% ;將球磨 后的混合料干燥、研磨過篩；將過篩的粉料單向加壓壓制成型，成型壓力200MPa，保壓時間 2min;在氮氣氛圍下，采用2. 45GHz頻率微波燒結爐進行微波燒結，W30°C/min的升溫速 率將溫度升至1500°C，在此溫度下保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫。 陽〇2引 實施例2 陽0%] 按AI2O3I. 75g、Ti把腳0. 625g、Ni0. 075g、Mo0. 05g進行配料；將稱量后的粉末 裝入行星球磨機中，W無水乙醇為介質用氧化侶球球磨48小時；在球磨結束前2小時向混 合粉料中加入濃度為5%的聚乙締醇溶液，聚乙締醇的質量為混合粉末質量5% ;將球磨 后的混合料干燥、研磨過篩；將過篩的粉料單向加壓壓制成型，成型壓力200MPa，保壓時間 2min;在氮氣氛圍下，采用2. 45GHz頻率微波燒結爐進行微波燒結，W40°C/min的升溫速 率將溫度升至1500°C，在此溫度下保溫lOmin，然后隨爐冷卻至室溫。
[0027] 實施例3
[0028]按AI2O3I. 75g、Ti把腳0. 625g、Ni0. 075g、Mo0. 05g進行配料；將稱量后的粉末 裝入行星球磨機中，W無水乙醇為介質用氧化侶球球磨48小時；在球磨結束前3小時向混 合粉料中加入濃度為3%的聚乙締醇溶液、聚乙締醇的質量為混合粉末質量3% ;將球磨 后的混合料干燥、研磨過篩；將過篩的粉料單向加壓壓制成型，成型壓力SOOMPa,保壓時間 2min;在氮氣氛圍下，采用2. 45GHz頻率微波燒結爐進行微波燒結，W40°C/min的升溫速 率將溫度升至1550°C，在此溫度下保溫15min，然后隨爐冷卻至室溫。
[002