CN101391888B

CN101391888B - 一种梯度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101391888B
Application number: CN2008101582150A
Authority: CN
Inventors: 李艳征; 赵军; 张凯
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: CN101391888A

Abstract

本发明提供了一种梯度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法，属于陶瓷刀具材料技术领域。该刀具材料具有对称梯度层次结构，层数为3层或5层，各层的组分按体积百分比均为69％～39％的Al₂O₃、30％～60％的微米TiCN、1％的微米MgO、微米Y₂O₃和微米NiO，相对中心层对称的层中组分含量相同，且厚度对称分布，其中两个表层的Al₂O₃是纳米Al₂O₃和微米Al₂O₃混合，纳米Al₂O₃的体积含量为该层全部Al₂O₃体积含量的10％～30％，其余各层Al₂O₃为微米Al₂O₃，各层中TiCN含量由中心层向外层逐层以10％递增，Al₂O₃含量由中心层向外层逐层以10％递减。采用粉末分层铺填和热压烧结工艺制备。该刀具材料具有粒度分布均匀、硬度高、抗弯强度高、断裂韧性和抗热震性好的特点。

Description

一种梯度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧化铝-碳氮化钛梯度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法，属于复合陶瓷刀具材料技术领域。

背景技术

新型陶瓷刀具材料由于具有高硬度、高耐磨性、高耐热性和高的化学稳定性等独特的性能，在高速切削领域和切削难加工材料方面具有包括涂层刀具在内的硬质合金刀具无法比拟的优势。而且陶瓷刀具材料的原料如Al、Si等元素是自然界含量最丰富的，可节约战略性贵重金属的消耗。然而陶瓷刀具材料的强度和韧性较低、热膨胀系数较高、导热性和抗热震性较差，从而限制了其应用范围。目前国内外有研究用多种增韧补强机制来提高陶瓷刀具韧性和强度的，但效果不十分理想。而纳米复合陶瓷材料和梯度功能陶瓷材料则为陶瓷刀具材料性能的改善开辟了广阔的前景。

碳氮化钛兼具碳化钛硬度高氮化钛韧性好的优点，且具有更高的热硬度、更大的横向断裂强度、更好的抗氧化能力和更高的热导率，抗热震性好。国内外的研究表明，在陶瓷刀具材料中加入纳米颗粒可以有效提高复合陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性，明显改善其高温性能，如2002年的山东大学博士学位论文《高性能Al₂O₃系陶瓷刀具材料的研制及其性能研究》中的研究。2005年由高等教育出版社出版的《新型梯度功能陶瓷刀具材料的设计制造及其切削性能研究》一书，详细介绍了梯度功能陶瓷刀具材料，该材料是指构成材料的要素(成分、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈阶梯或连续梯度变化，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化，研究表明在陶瓷刀具材料中引入梯度结构可明显缓解陶瓷刀具材料的热应力，并提高抗热震性。

但是在梯度功能陶瓷刀具材料加入纳米颗粒，使陶瓷刀具材料具有增韧补强和高抗热震性的研究，还没有见诸报道。

发明内容

本发明的目的在于结合纳米材料增韧补强和梯度结构材料高抗热震性二者的优点，保持陶瓷刀具材料原有优点的条件下，提供一种具有高强度、高硬度、高韧性及高抗热震性，适合高速硬切削的梯度纳米复合陶瓷刀具材料，同时提供一种该材料的制备方法。

本发明的梯度纳米复合陶瓷刀具材料具有对称梯度层次结构，层数为3层或5层，各层的组分按体积百分比均为69％～39％的Al₂O₃、30％～60％的微米TiCN、1％的微米MgO、微米Y₂O₃和微米NiO，相对中心层对称的层中组分含量相同，且厚度对称分布，其中两个表层的Al₂O₃是纳米Al₂O₃和微米Al₂O₃混合，纳米Al₂O₃的体积含量为该层全部Al₂O₃体积含量的10％～30％，其余各层Al₂O₃为微米Al₂O₃，各层中TiCN含量由中心层向外层逐层以10％递增，Al₂O₃含量由中心层向外层逐层以10％递减。

层数为3层时，两表层厚度之和与总厚度的比值为0.1~0.5；层数为5层时，各层厚度一致。

层数为3层时，各层组分的最佳体积配比为：由中心层到表层TiCN含量依次为35％、45％，表层纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的20％，且两表层厚度之和与总厚度的最佳比值为0.3。

层数为5层时，各层组分的最佳体积配比为：由中心层到表层TiCN含量依次为35％、45％、55％，表层纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的15％。

考虑到经济效益和制备工艺，层数越多，制备成本越高，制备工艺越复杂且生产效率越底，故本发明中的层数取3层或5层，实际应用中层数可以增加，且为单数。

上述梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)各层配料：每层都按体积百分比为69％～39％的Al₂O₃、30％～60％的微米TiCN、1％的微米MgO、Y₂O₃、NiO总和进行配料；其中两个表层的Al₂O₃中含有纳米Al₂O₃，含量为该层Al₂O₃的10％～30％，其余为微米Al₂O₃，相对中心层对称的层中组分含量相同；各层中TiCN含量由中心层向外层逐层以10％递增，Al₂O₃含量由中心层向外层逐层以10％递减；

(2)纳米颗粒的分散：以去离子水或无水酒精为分散介质，将表层中的纳米Al₂O₃加入去离子水或无水酒精中配制纳米Al₂O₃质量分数为0.2％的悬浮液，并加入相对纳米Al₂O₃质量0.1％～3％的分散剂，分散剂为六偏磷酸钠、多聚磷酸钠、硅酸钠、聚甲基丙烯酸氨或分子量为1540、4000或20000的聚乙二醇，调整悬浮液的PH值至7～11，最后将悬浮液放在超声分散搅拌机上分散10分钟～30分钟；

(3)混料：表层混料是将制备表层的微米Al₂O₃、微米TiCN、微米MgO、微米Y₂O₃和微米NiO与步骤(2)配制好的纳米Al₂O₃悬浮液进行混合，放在超声分散搅拌机上分散20分钟～30分钟后在球磨机上混合48小时～72小时，再经过真空干燥、过筛，得到表层纳米复合粉末料；其余各层直接将各组成材料混合均匀；

(4)装料及烧结：采用粉末分层铺填法将各层铺填好，层数为3层时两表层厚度之和与总厚度的比值为0.1～0.5，层数为5层时，各层厚度一样；采用热压烧结工艺，在高纯度氮气保护气氛中烧结，在从室温加热到保温温度时，升温速度为75℃/分钟~85℃/分钟，压力平稳均匀地加至30MPa；保温阶段温度为1650℃~1750℃，压力30MPa，保温时间10分钟~30分钟。

步骤(2)中最佳分散剂为六偏磷酸钠，分散介质为去离子水，分散剂最佳含量为纳米Al₂O₃质量的2％，悬浮液的PH值最佳为9～10，超声搅拌分散时间最佳15分钟～20分钟。

通过以上步骤，可制得粒度分布均匀、硬度高、抗弯强度高、断裂韧性和抗热震性好的氧化铝-碳氮化钛梯度纳米复合陶瓷刀具材料。

本发明通过粉末分层铺填，形成多层结构，通过向表层微米级Al₂O₃和TiCN中添加纳米级Al₂O₃颗粒，并控制表层纳米级Al₂O₃颗粒体积含量以及每层Al₂O₃和TiCN的梯度分布，以MgO、Y₂O₃和NiO作为助烧结剂和晶粒生长抑制剂，优化热压烧结工艺，制备出具有高性能梯度多层结构的纳米复合陶瓷刀具材料。纳米Al₂O₃颗粒的加入，既形成晶间型组织结构，又细化了晶粒，强化了晶界强度，使粒度分布均匀，提高了材料表层的抗弯强度和断裂韧性。TiCN的梯度分层分布，使刀具材料的力学性能呈梯度阶梯变化，可有效缓解残余热应力，提高了材料整体的抗热震性。该刀具材料具有粒度分布均匀、硬度高、抗弯强度高、断裂韧性和抗热震性好的特点。

附图说明

图1是本发明的梯度纳米复合刀具材料的结构示意图。

图2是本发明的梯度纳米复合刀具材料的材料组成分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的梯度纳米复合陶瓷刀具材料具有梯度层次结构，各层的材料组成按体积百分比为69％～39％的Al₂O₃、30％～60％的微米TiCN、1％的微米MgO、微米Y₂O₃和微米NiO的总和；相对中心层对称的各层组成、含量分布相同，其中表层的Al₂O₃中含有纳米Al₂O₃，含量为该层Al₂O₃的10％～30％。如图2所示，TiCN含量由中心层向外层逐层以10％递增，Al₂O₃含量由中心层向外层逐层以10％递减。

以下通过实施例说明本发明梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法。

实施例1，三层对称梯度结构

中心层的TiCN体积含量为35％、Al₂O₃体积含量为64％，两表层的TiCN体积含量为45％、Al₂O₃体积含量为54％，表层的纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的20％，各层的MgO、Y₂O₃和NiO总体积含量为1％。以去离子水为分散介质，配制纳米Al₂O₃质量分数为0.2％的悬浮液，加入相对纳米Al₂O₃质量2％的分散剂，以六偏磷酸钠为分散剂。放在超声分散搅拌机上分散10分钟～30分钟，将溶液从超声分散机上取下；将悬浮液的PH值调整为7～11，使悬浮液呈碱性。将微米Al₂O₃和TiCN及MgO、Y₂O₃、NiO与配制好的纳米Al₂O₃悬浮液进行混合，放在超声分散搅拌机上分散20分钟～30分钟后倒入混料桶中，在行星式球磨机上混合48小时～72小时，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的表层纳米复合粉末料。中心层可省分散工序。采用粉末分层铺填法，两表层厚度之和与总厚度的比值为0.3。采用热压烧结工艺，在高纯度氮气保护气氛中烧结，在从室温加热到保温温度时，升温速度为75℃/分钟~85℃/分钟，压力平稳均匀地加至30MPa；保温阶段温度为1650℃~1750℃，压力30MPa，保温时间10分钟~30分钟。

所制得的梯度纳米复合刀具材料的力学性能为：硬度HV18.5~19.2GPa，抗弯强度860~920MPa，断裂韧性6.3~6.5MPam^1/2。

实施例2，三层对称梯度结构

中心层的TiCN含量为30％、Al₂O₃含量为69％，两表层的TiCN含量为40％、Al₂O₃含量为59％，表层的纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃的10％，各层的MgO、Y₂O₃和NiO总体积含量为1％。以无水酒精为分散介质，配制纳米Al₂O₃质量分数为0.2％的悬浮液，加入相对纳米Al₂O₃质量0.1％的分散剂，以多聚磷酸钠为分散剂。粉末分层铺填时，两表层厚度之和与总厚度的比值为0.1。其余过程与实施例1相同。

所制得的梯度纳米复合刀具材料的力学性能为：硬度HV18.6~19.4GPa，抗弯强度710~800MPa，断裂韧性5.2~5.6MPam^1/2。

实施例3，三层对称梯度结构

中心层的TiCN含量为50％、Al₂O₃含量为49％，两表层的TiCN含量为60％、Al₂O₃含量为39％，表层的纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的30％，各层的MgO、Y₂O₃和NiO总体积含量为1％。以无水酒精为分散介质，配制纳米Al₂O₃质量分数为0.2％的悬浮液，加入相对纳米Al₂O₃质量3％的分散剂，以硅酸钠为分散剂。粉末分层铺填时，两表层厚度之和与总厚度的比值为0.5。其余过程与实施例1相同。

所制得的梯度纳米复合刀具材料的力学性能为：硬度HV18.0~18.6GPa，抗弯强度850~940MPa，断裂韧性6.2~6.6MPam^1/2。

实施例4，五层对称梯度结构

由中心层至表层的TiCN含量依次为35％、45％、55％，Al₂O₃的含量依次为64％、54％、44％，表层纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的20％，各层中MgO、Y₂O₃和NiO总体积含量为1％。以去离子水为分散介质，配制纳米Al₂O₃质量分数为0.2％的悬浮液，加入相对纳米Al₂O₃质量2％的分散剂，以聚甲基丙烯酸氨为分散剂。表层纳米复合粉末料与实施例1的方法一样，其它各层组成材直接混合均匀。采用粉末分层铺填法，各层厚度一致。热压烧结工艺与实施例1一样。

所制得的梯度纳米复合刀具材料的力学性能为：硬度HV19.0~19.6GPa，抗弯强度800~880MPa，断裂韧性5.8~6.3MPam^1/2。

实施例5，五层对称梯度结构

由中心层至表层的TiCN含量依次为30％、40％、50％，Al₂O₃的含量依次为69％、59％、49％，表层纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的10％，各层中MgO、Y₂O₃和NiO总体积含量为1％。以无水酒精为分散介质，配制纳米Al₂O₃质量分数为0.2％的悬浮液，加入相对纳米Al₂O₃质量1％的分散剂，以分子量为1540的聚乙二醇为分散剂。其与过程与实施例4所述一样。

所制得的梯度纳米复合刀具材料的力学性能为：硬度HV19.2~19.7GPa，抗弯强度700~750MPa，断裂韧性5.1~5.6MPam^1/2。

实施例6，五层对称梯度结构

由中心层至表层的TiCN含量依次为40％、50％、60％，Al₂O₃的含量依次为59％、49％、39％，表层纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的30％，各层中MgO、Y₂O₃和NiO总体积含量为1％。以去离子水为分散介质，配制纳米Al₂O₃质量分数为0.2％的悬浮液，加入相对纳米Al₂O₃质量3％的分散剂，以分子量为4000或20000的聚乙二醇为分散剂。其与过程与实施例4所述一样。

所制得的梯度纳米复合刀具材料的力学性能为：硬度HV18.1~18.5GPa，抗弯强度830~900MPa，断裂韧性6.0~6.5MPam^1/2。

Claims

1.一种梯度纳米复合陶瓷刀具材料，具有对称梯度层次结构，其特征在于：层数为3层或5层，各层的组分按体积百分比均为69％～39％的Al₂O₃、30％～60％的微米TiCN、1％的微米MgO、微米Y₂O₃和微米NiO，相对中心层对称的层中组分含量相同，且厚度对称分布，其中两个表层的Al₂O₃是纳米Al₂O₃和微米Al₂O₃混合，纳米Al₂O₃的体积含量为该层全部Al₂O₃体积含量的10％～30％，其余各层Al₂O₃为微米Al₂O₃，TiCN含量由中心层向外层逐层以10％递增，Al₂O₃含量由中心层向外层逐层以10％递减；层数为3层时，两表层厚度之和与总厚度的比值为0.1～0.5；层数为5层时，各层厚度一致。

2.根据权利要求1所述的梯度纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于：层数为3层时，各层组分的体积配比为：由中心层到表层TiCN含量依次为35％、45％，表层纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的20％，且两表层厚度之和与总厚度的比值为0.3。

3.根据权利要求1所述的梯度纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于：层数为5层时，各层组分的体积配比为：由中心层到表层TiCN含量依次为35％、45％、55％，表层纳米Al₂O₃占该层Al₂O₃总量的15％。

4.一种权利要求1所述梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(4)装料及烧结：采用粉末分层铺填法将各层铺填好，层数为3层时两表层厚度之和与总厚度的比值为0.1～0.5，层数为5层时，各层厚度一样；采用热压烧结工艺，在高纯度氮气保护气氛中烧结，在从室温加热到保温温度时，升温速度为75℃/分钟～85℃/分钟，压力平稳均匀地加至30MPa；保温阶段温度为1650℃～1750℃，压力30MPa，保温时间10分钟～30分钟。

5.根据权利要求4所述梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中分散剂为六偏磷酸钠，分散介质为去离子水，分散剂含量为纳米Al₂O₃质量的2％，悬浮液的PH值为9～10，超声搅拌分散时间15分钟～20分钟。