CN101695808A - 高性能带孔陶瓷刀片的制备方法 - Google Patents

高性能带孔陶瓷刀片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能带孔陶瓷刀片的制备方法，选取所需原料依次进行制备混合粒料、坯体压制、脱成型剂处理、气压烧结、热等静压处理、深冷处理和精磨加工，制成所需复合陶瓷刀片，本发明采用气压烧结、热等静压处理和深冷处理相结合的制备方法，可有效地克服传统热压法的不足，生产复杂形状和带孔的复合陶瓷刀片，相比热压法具有生产成本低、性能稳定的优点，适于批量生产，产品的相对密度＞99％，硬度HV＞18GPa，断裂韧性Kic＞5.5MPa·m1/2，三点抗弯强度＞550MPa。

Description

高性能带孔陶瓷刀片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷刀片的制备方法，特别涉及一种高性能带孔陶瓷刀片的制备方法。
背景技术
复合陶瓷刀具是现代金属切削加工中的一种新材料刀具，具有高硬度及高耐磨性、优良的高温性能、良好的抗粘结性能、化学稳定性好、摩擦系数低，它能大幅度的提高生产效率，加工某些普通刀具所不能加工的超硬材料，实现了对高硬度材料的以车、铣带磨的工作要求，被广泛的应用于机械、汽车制造、航空航天等行业的车削、铣削加工，无论是国内还是国际市场上，都具有较广阔的市场空间，随着高精密机床的增加，复合陶瓷刀具的市场份额在逐年递增。复合陶瓷刀具的传统工艺方法是热压法(HP)，即在一定工艺条件下将陶瓷粉料热压成饼状烧结体，然后通过线切割或金刚石砂轮切割成需要的形状，再按ISO标准进行刃磨。虽然用该工艺生产陶瓷刀片质量稳定、致密性好、晶粒细小，但存在以下缺点：1、不能生产形状复杂及带孔的刀片；2、刀片存在各向异性；3、生产周期长，生产效率低，生产成本高。
因此，需要一种能够生产形状复杂或带孔的复合陶瓷刀片的制备方法，可生产具有高硬度、高致密度和高韧性的复合陶瓷刀片。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种能够生产形状复杂或带孔的复合陶瓷刀片的制备方法，可生产具有高硬度、高致密度和高韧性的复合陶瓷刀片。
本发明的高性能带孔陶瓷刀片的制备方法，包括如下步骤：
A.制备混合粒料：选取制备陶瓷刀片的原料，所述原料按质量百分比(wt％)包括如下成分：70～75的三氧化二铝和25～30的碳氮化钛；在原料中加入酒精作为分散剂，经70～74小时的球磨-振磨-球磨，将原料研磨并均匀混合后得到混合料，在混合料中加入占混合料总质量6～10％的成型剂聚乙二醇球磨15～20小时后过筛160目，将所得混合浆料经真空干燥机干燥后擦筛制粒，得到均匀的混合粒料；其中，球磨过程均采用三氧化二铝球作为球磨介质，球料比≥3∶1；
B.坯体压制：将步骤A中所得混合粒料放入陶瓷刀片模具中，压制成刀片坯体；
C.脱成型剂处理：将步骤B中所得坯体在真空度高于或等于10Pa的条件下经40小时加热至420℃，其间在200℃保温5～7小时，380℃保温9～11小时；
D.气压烧结：将步骤C中所得坯体在真空度高于或等于6Pa的条件下升温至1100℃～1300℃，加入2MPa的氩气保护，继续升温至1800℃，加入7MPa的氩气保护，保温30分钟后冷却至50℃以下；
E.热等静压处理：将步骤D中所得坯体于130MPa氩气压力下升温至1700℃保温1小时，然后冷却至50℃以下；
F.深冷处理：将步骤E中所得坯体于-190℃下在液氮中放置5小时，从液氮中取出后再回温至150℃；
G.精磨加工。
进一步，所述步骤A中酒精的加入量为每1kg原料加入1200ml酒精；干燥温度为55～80℃。
本发明的有益效果：采用气压烧结、热等静压处理和深冷处理相结合的制备方法，可有效地克服传统热压法的不足，生产复杂形状和带孔的复合陶瓷刀片，相比热压法具有生产成本低、性能稳定的优点，适于批量生产，产品的产品的相对密度＞99％，硬度HV＞18GPa，断裂韧性Kic＞5.5MPa·m1/2，三点抗弯强度＞550MPa。
具体实施方式
以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的高性能带孔陶瓷刀片的制备方法，包括如下步骤：
将70wt％的三氧化二铝和30wt％的碳氮化钛在料筒中配制成原料后，在每1kg原料中加入1200ml酒精作为分散剂，可使粉料分散均匀并有利于烘干，将料筒放上球磨机，采用三氧化二铝球作为球磨介质，本实施例选取的球料比为3∶1，当球料比大于3∶1时，同样可以实现本发明目的，球磨30小时后，将料筒移进振磨机振磨30小时，再将料桶移上球磨机球磨12小时，将原料研磨并均匀混合后得到混合料，取下料筒在混合料中加入占混合料总质量7％的聚乙二醇作为成型剂，再将料桶放上球磨机继续球磨20小时，将所得混合浆料过筛160目后，放入真空干燥机升温至80℃后烘烤14小时，干燥温度越低，效果越好，但效率更低，通过实验，可根据实际需要选取55℃～80℃的任一温度，以防止氧化和成型剂挥发；干燥后再选用60目筛擦筛制粒，得到具有良好的烧结性能、流动性好、能满足自动压制要求的均匀混合粒料；将所得混合粒料放入预先制备好的用于制作陶瓷刀片的模具中，根据所需刀片外形结构计算相应的标准质量和压制厚度对压机进行设置，压制成设计所需的刀片坯体，刀片可以为复杂结构或者带孔的刀片；将所得坯体在真空度为10Pa的条件下经40小时从室温经加热至420℃，其间在200℃保温6小时，在380℃保温10小时，使坯体重损大于所加的聚乙二醇的质量百分比，当然，在真空度高于10Pa的条件下同样可以实现本发明目的；再将坯体放入烧结炉中进行气压烧结，在真空度为6Pa的条件下升温至1200℃，加入2MPa的氩气保护，继续升温至1800℃，加入7MPa的氩气保护，保温30分钟后冷却至50℃以下，烧结后的坯体密度为93％～98％，当然，真空度高于6Pa的条件下同样可以实现本发明目的；当坯体密度大于93％时，开口气孔已完全消除，可在坯体表面自然形成包套，于是，直接将坯体放入热等静压炉中进行热等静压处理，将坯体于130MPa氩气压力下升温至1700℃保温1小时后冷却至50℃以下，此时的坯体密度可达99％以上，增加坯体的强度和显微硬度；接下来，将坯体于-190℃下在液氮中放置5小时进行深冷处理，从液氮中将坯体取出后再回温至150℃，调整坯体内部应力，同时对组织结构有进一步细化作用；最后将所得坯体按设计尺寸精磨成所需刀片。所得成品的相对密度为99.3％，硬度为18.89GPa，韧性为5.89MPa·m1/2，三点抗弯强度为650MPa。
实施例2
本实施例的高性能带孔陶瓷刀片的制备方法，包括如下步骤：
将75wt％的三氧化二铝和25wt％的碳氮化钛在料筒中配制成原料后，在每1kg原料中加入1200ml酒精作为分散剂，可使粉料分散均匀并有利于烘干，将料筒放上球磨机，采用三氧化二铝球作为球磨介质，球料比为3∶1球磨31小时后，将料筒移进振磨机振磨31小时，再将料桶移上球磨机球磨12小时，将原料研磨并均匀混合后得到混合料，取下料筒在混合料中加入占混合料总质量10％的聚乙二醇作为成型剂，再将料桶放上球磨机继续球磨18小时，将所得混合浆料过筛160目后，放入真空干燥机升温至55℃后烘烤18小时，再选用60目筛擦筛制粒，得到具有良好的烧结性能、流动性好、能满足自动压制要求的均匀混合粒料；将所得混合粒料放入预先制备好的用于制作陶瓷刀片的模具中，根据所需刀片外形结构计算相应的标准质量和压制厚度对压机进行设置，压制成设计所需的刀片坯体；将所得坯体在真空度为10Pa的条件下经40小时从室温经加热至420℃，其间在200℃保温5小时，在380℃保温9小时，使坯体重损大于所加的聚乙二醇的重量百分比；再将坯体放入烧结炉中进行气压烧结，在真空度为6Pa的条件下升温至1300℃，加入2MPa的氩气保护，继续升温至1800℃，加入7MPa的氩气保护，保温30分钟后冷却至50℃以下；之后，将坯体放入热等静压炉中进行热等静压处理，将坯体于130MPa氩气压力下升温至1700℃保温1小时后冷却至50℃以下；接下来，将坯体于-190℃下在液氮中放置5小时进行深冷处理，从液氮中将坯体取出后再回温至150℃；最后将所得坯体按设计尺寸精磨成所需刀片。所得成品的相对密度为99.2％，硬度为18.36GPa，韧性为5.62MPa·m1/2，三点抗弯强度为580MPa。
实施例3
本实施例的高性能带孔陶瓷刀片的制备方法，包括如下步骤：
将72wt％的三氧化二铝和28wt％的碳氮化钛在料筒中配制成原料后，在每1kg原料中加入1200ml酒精作为分散剂，可使粉料分散均匀并有利于烘干，将料筒放上球磨机，采用三氧化二铝球作为球磨介质，球料比为3∶1，球磨29小时后，将料筒移进振磨机振磨31小时，再将料桶移上球磨机球磨14小时，将原料研磨并均匀混合后得到混合料，取下料筒在混合料中加入占混合料总质量6％的聚乙二醇作为成型剂，再将料桶放上球磨机继续球磨15小时，将所得混合浆料过筛160目后，放入真空干燥机升温至75℃后烘烤10小时，再选用60目筛擦筛制粒，得到具有良好的烧结性能、流动性好、能满足自动压制要求的均匀混合粒料；将所得混合粒料放入预先制备好的用于制作陶瓷刀片的模具中，根据所需刀片外形结构计算相应的标准质量和压制厚度对压机进行设置，压制成设计所需的刀片坯体；将所得坯体在真空度为10Pa的条件下从室温经加热至420℃，其间在200℃保温7小时，在380℃保温11小时，使坯体重损大于所加的聚乙二醇的重量百分比；再将坯体放入烧结炉中进行气压烧结，在真空度为6Pa的条件下升温至1100℃，加入2MPa的氩气保护，继续升温至1800℃，加入7MPa的氩气保护，保温30分钟后冷却至50℃以下；之后，将坯体放入热等静压炉中进行热等静压处理，将坯体于130MPa氩气压力下升温至1700℃保温1小时后冷却至50℃以下；接下来，将坯体于-190℃下在液氮中放置5小时进行深冷处理，从液氮中将坯体取出后再回温至150℃；最后将所得坯体按设计尺寸精磨成所需刀片。所得成品的相对密度为99.5％，硬度为19.6GPa，韧性为6.42MPa·m1/2，三点抗弯强度为700MPa。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种高性能带孔陶瓷刀片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
A.制备混合粒料：选取制备陶瓷刀片的原料，所述原料按质量百分比(wt％)包括如下成分：70～75的三氧化二铝和25～30的碳氮化钛；在原料中加入酒精作为分散剂，经70～74小时的球磨-振磨-球磨，将原料研磨并均匀混合后得到混合料，在混合料中加入占混合料总质量6～10％的成型剂聚乙二醇球磨15～20小时后过筛160目，将所得混合浆料经真空干燥机干燥后擦筛制粒，得到均匀的混合粒料；其中，球磨过程均采用三氧化二铝球作为球磨介质，球料比≥3∶1；
B.坯体压制：将步骤A中所得混合粒料放入陶瓷刀片模具中，压制成刀片坯体；
C.脱成型剂处理：将步骤B中所得坯体在真空度高于或等于10Pa的条件下经40小时加热至420℃，其间在200℃保温5～7小时，380℃保温9～11小时；
D.气压烧结：将步骤C中所得坯体在真空度高于或等于6Pa的条件下升温至1100℃～1300℃，加入2MPa的氩气保护，继续升温至1800℃，加入7MPa的氩气保护，保温30分钟后冷却至50℃以下；
E.热等静压处理：将步骤D中所得坯体于130MPa氩气压力下升温至1700℃保温1小时，然后冷却至50℃以下；
F.深冷处理：将步骤E中所得坯体于-190℃下在液氮中放置5小时，从液氮中取出后再回温至150℃；
G.精磨加工。
2.根据权利要求1所述的高性能带孔陶瓷刀片的制备方法，其特征在于：所述步骤A中酒精的加入量为每1kg原料加入1200ml酒精；干燥温度为55～80℃。
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