CN101850502B

CN101850502B - 一种氮化硅陶瓷刀片的制备方法

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Publication number: CN101850502B
Application number: CN2010101663992A
Authority: CN
Inventors: 葛昌纯; 夏元洲
Original assignee: Ningbo New & Hi-Tech Development Zone Chunchang Taoye Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo New & Hi-Tech Development Zone Chunchang Taoye Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: CN101850502A

Abstract

一种氮化硅陶瓷刀片的制备方法，它主要由如下步骤：一是原料处理，它是选用高α相氮化硅粉体作为原料，将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨后用远红外干燥箱将其烘干，并用筛网进行过筛，并分批次存放；二是热压烧结成型，将处理后的原料在高温高压的同时作用下直接压制成致密的刀片；三是切削刃磨，热压后的陶瓷刀片毛坯，经至少经过平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨并清洁后制成所述的氮化硅陶瓷刀片；它具有能获得致密性能优良的陶瓷刀片，制品晶粒细，强度高，硬度高，耐磨性较好；能准确地控制产品形状尺寸；生产期短，质量稳定可靠等特点。

Description

一种氮化硅陶瓷刀片的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种用高α相氮化硅粉体制备陶瓷刀片的方法，属于陶瓷工具的制备技术领域。

背景技术

氮化硅Si₃N₄一种人工合成的化合物，它具有高强、超硬、耐磨、耐腐蚀、低密度、低膨胀系数、抗热震性好、抗氧化能力强等优越的性能；氮化硅既是性能优良的高温结构陶瓷，又是新型的功能陶瓷。近几十年来在世界范围内得到了高度重视和广泛研究，氧化硅陶瓷在化工、冶金、机械、石油、电子、航天航空等领域都得到广泛的应用。

在机械制造等行业中需要使用大量的切削刀具，过去切削刀具基本上用硬质合金材料制成。在切削高锰钢等材料时，使用寿命较短。如用氮化硅制成的陶瓷刀具在加工钢、铸铁、锌硬钢、高锰钢和镍等高温合金时，刀具寿命可比硬质合金刀具长几倍、甚至几十倍。在生产中它不但能用于一般的车、镗和銧削加工，而且能用于孔加工刀具上。除了可在普通机床是使用外，还能用于数控机床等高级设备上，国际上公认是当代提高生产效率最有潜力的一种刀具。据资料用陶瓷刀具代替硬质合金刀具后，切削速度由62m/min提高到332m/min，使生产效率提高5倍，刀具耐用度也增加5倍。当前，国内市场上使用的高性能、高精度陶瓷工具等几乎全靠国外进口，价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种耗能低(几乎不耗能)，生产周期短，产品纯度高，设备投资少，制造成本低的、用高α相氮化硅粉体制备的氮化硅陶瓷刀片的制备方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，它主要由如下步骤：一是原料处理，它是选用高α相氮化硅粉体作为原料，将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨后用远红外干燥箱将其烘干，并用筛网进行过筛，并分批次存放；二是热压烧结成型，将处理后的原料在高温高压的同时作用下直接压制成致密的刀片；三是切削刃磨，热压后的陶瓷刀片毛坯，经至少经过平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨并清洁后制成所述的氮化硅陶瓷刀片。

所述的氮化硅粉体原料要求如下：

α-Si₃N₄ ≥92％

游离硅＜0.5％

氮含量 ≥37％

氧含量 ≤2％

X-射线分析主要α、少量β相

将原料放入球磨机内，在加入无水酒精介质后进行湿磨，球磨时间为80-100小时，卸料后用远红外干燥箱将料烘干，用90-110目筛过筛，分批次存放供热压烧结成型。本发明所述的热压烧结成型是：氮化硅粉料先在钢模中预压成型，并使预成型件装入热压模前具有一定强度即可，预压成型是在控制压制速度，缓慢加压条件下进行；然后将预成型件放在模具的下垫块上，最后套上热压外模套，装上上压头；将装好粉料的热压模装入热压炉内，密封炉门，通入氮气进行保护，然后进行热压烧结成型；热压完成后，等模具冷却后即可脱模成陶瓷刀片毛坯。

所述的热压陶瓷刀片的最佳热压温度为1780℃土5℃，加压的单位压力一般为200-300kg/cm²；压模装炉后，先施以初压，将料压紧；初压为总压的30-50％；当温度生至500-700℃时，压力升至总压的40-50％；温度升至1000-1400℃时，压力升至总压力的60-70％；温度达到1400-1650℃时，压力保持在总压的85％左右；温度升至1780℃时，压力为总压力的100％.当保温结束后，分阶段降温，让模具在压机上冷却后脱模成陶瓷刀片毛坯。

本发明将所述热压后的陶瓷刀片毛坯，进行如下切削刀磨后续加工处理：先将陶瓷刀片毛坯数片粘在铁板上，放在磨床上两面磨平后，测HRA值，然后进行电火花切割，再用研磨方式磨周边和圆角，经倒棱、刃磨，清洁、经验后入库，分批号存放。

本发明主要采用高纯人工合成化学物质，即高α相氮化硅粉体，经过先进的热压成型烧结工艺制成，具有能获得致密性能优良的陶瓷刀片，制品晶粒细，强度高，硬度高，耐磨性较好；能准确地控制产品形状尺寸；生产期短，质量稳定可靠等特点。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作详细的介绍：本发明所述的氮化硅陶瓷刀片生产工艺包括：一是原料处理，它是选用高α相氮化硅粉体作为原料，将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨后用远红外干燥箱将其烘干，并用筛网进行过筛，并分批次存放；二是热压烧结成型，将处理后的原料在高温高压的同时作用下直接压制成致密的刀片；三是切削刃磨，热压后的陶瓷刀片毛坯，经至少经过平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨并清洁后制成所述的氮化硅陶瓷刀片。

一.原料处理工艺：氮化硅陶瓷刀片属于高技术陶瓷产品，主要采用高纯人工合成化学物质，经过先进的工艺技术制成。对原料的要求达到高纯性，不得混入任何其他杂质，否则严重影响产品质量

对原料氮化硅粉体的要求：

α-Si₃N₄ ≥92％

游离硅＜0.5％

氮含量 ≥37％

氧含量 ≤2％

X-射线分析主要α、少量β相

处理工艺流程是：

原料(无水酒精)→按重量装入磨球筒→湿磨→卸料→过筛→保存。

将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨时间为96小时，然后用远红外干燥箱将料烘干；用100目筛过筛，分批次存放。具体球磨时间还包括80-100小时内的任意选择；而所述的筛网过筛，还包括90-110目内的筛网作任意选择。

二.热压烧结成型工艺：热压成型烧结是陶瓷刀片制造中最有效的工艺。热压法是将处理后的原料在高温高压的同时作用下直接压制成致密的刀片。与冶金法相比，具有以下优点：能获得致密性能优良的陶瓷刀片；制品晶粒细，强度高，硬度高，耐磨性较好；能准确地控制产品形状尺寸；生产期短，质量稳定可靠。

热压烧结成型的工艺流程是：

←过筛←破碎←预压、装模废坯

↓ ↑

合格料→按要求称重→预压成型→装模→装炉→热压烧结→缓慢冷却→脱模→测量厚度→入库

热压成型的用料，必须彻底干燥。合格粉料先在钢模中预成型，钢模和热压必须配套。预成型件装入热压模前具有一定强度即可。装模时产生废坯经破碎和过筛后，仍可使用。预压成型一般需控制压制速度，缓慢加压。预压件允许有不严重的开裂、分层、轻微掉角现象。脱模时可用预先涂上氮化硼石墨垫块托住。装入热压模前先用氮化硼涂料垫涂在石墨垫块内衬两侧及热压模内壁，起到不粘模作用。预成型件仔细放在模具的下垫块上，最后套上热压外模套，装上上压头。将装好粉料的热压模装入热压炉内，密封炉门，通入氮气进行保护，然后进行热压烧结成型。热压完成后，等模具冷却后即可脱模。热压工艺对陶瓷刀片的质量起决定性的作用，压力及保温时间尤为重要，必须严格控制。

热压陶瓷刀片的最佳热压温度为1780℃土5℃，若热压温度过低，此时液相生成量太少，刀片达不到理论密度和要求的各种性能。如温度太高，Si₃N₄分解加剧，影响刀片质量，并造成表面不平整和起皮等现象。

加压的单位压力一般为200-300kg/cm²；压模装炉后，光施以初压，将料压紧。初压一般为总压的30-50％。当温度生至500-700℃时，压力升至总压的40-50％。温度升至1000-1400℃时，压力升至总压力的60-70％。温度达到1400-1650℃时，压力保持在总压的85％左右。温度升至1780℃时，压力为总压力的100％.当保温结束后，分阶段降温，让模具在压机上冷却。本发明的其它实施例的具体热压温度可在上述热压温度范围中任意选择；同样，加压的单位压力也可以在上述压力范围内任意选择。

三.切割刃磨加工处理工艺：热压后的陶瓷刀片毛坯，外观正常，厚度合格，按不同产品的规格要求，集中进行后续加工处理；其工艺流程如下：(采用电火花切割)

热压毛坯→平磨两面→测HRA值→线切割→研磨→磨周边、圆角→倒棱、刃磨→清洁、经验(挑出外观不合格片)→合格品入库→分批号存放。

先将毛坯数片粘在铁板上，放在磨床上两面磨平后，进行电火花切割。另外，机械切割法用金刚石锯片只能切割正方形、长方形、菱形和三角形的刀片。

四.检验包装工艺：氮化硅陶瓷刀片的质量标准包括：

热压刀片毛坯质量标准

1.毛坯表面平整，无浮裂纹

2.表面允许有不严重的起皮

3.毛坯厚度比刀片规格厚3-4mm(加工余量)

4.压制同种规格的毛坯，当热压前预成型坯重量相同时，每次热压后毛坯厚度应在一定的控制范围内

成品的质量标准：

1.刀片的外观，几何尺寸，公差应符合要求

2.密度：P＞3.74g/cm³

3.洛氏硬度：HRA 92.5-94

4.断裂韧性：KIC＞7MPa m ^1/2

5.化学稳定性：高

6.耐磨性：高

7.导电性：良好

8.耐高温性：优

试验方法：

1.氏硬度试验方法参考GB3849-83《硬质合金洛氏硬度(A标尺)实验方法》进行

2.密度测定参考GB3850-83《致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法》进行

3.断裂韧性试验方法参考《氮化硅陶瓷刀片断裂韧性试验方法-A.G.Euans压痕法》的方法进行

检测规则：氮化硅陶瓷刀片检验时按牌号，批号，规格型号，炉号分别进行；

检验内容：有洛氏硬度HRA：每大片毛坯取三点以上。密度，每大片制品。

断裂韧性KLC：每炉任取2片或定期分批抽查。

外观：每个刀片。

尺寸：每个刀片。

切削性能：任取2片或2片以上。

如有一项不符合要求，在该批制品中加倍抽样复查。

Claims

1.一种氮化硅陶瓷刀片的制备方法，它主要有如下步骤：一是原料处理，它是选用高α相氮化硅粉体作为原料，将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，在加入无水酒精介质后进行湿磨，球磨时间为80-100小时，卸料后用远红外干燥箱将料烘干，用90-110目筛过筛，分批次存放供热压烧结成型；二是热压烧结成型，将处理后的原料在高温高压的同时作用下直接压制成致密的刀片，具体是：氮化硅粉料先在钢模中预压成型，并使预成型件装入热压模前具有一定强度即可，预压成型是在控制压制速度，缓慢加压条件下进行；然后将预成型件放在模具的下垫块上，最后套上热压外模套，装上上压头；将装好粉料的热压模装入热压炉内，密封炉门，通入氮气进行保护，然后进行热压烧结成型；热压完成后，等模具冷却后即可脱模成陶瓷刀片毛坯；三是切削刃磨，热压后的陶瓷刀片毛坯，至少经过平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨并清洁后制成所述的氮化硅陶瓷刀片；所述的氮化硅粉体原料要求如下：

α-Si₃N₄ ≥92％，

游离硅＜0.5％，

氮含量 ≥37％，

氧含量 ≤2％，

X-射线分析主要α、少量β相。

2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷刀片的制备方法，其特征在于所述的热压陶瓷刀片的最佳热压温度为1780℃土5℃，加压的单位压力为200-300kg/cm²；热压模装炉后，先施以初压，将料压紧；初压为总压的30-50％；当温度升至500-700℃时，压力升至总压的40-50％；温度升至1000-1400℃时，压力升至总压力的60-70％；温度达到1400-1650℃时，压力保持在总压的85％左右；温度升至1780℃时，压力为总压力的100％，当保温结束后，分阶段降温，让模具在压机上冷却后脱模成陶瓷刀片毛坯。

3.根据权利要求2所述的氮化硅陶瓷刀片的制备方法，其特征在于所述热压后的陶瓷刀片毛坯，进行如下切削刃磨后续加工处理：先将陶瓷刀片毛坯数片粘在铁板上，放在磨床上两面磨平后，测HRA值，然后进行电火花切割，再用研磨方式磨周边和圆角，经倒棱、刃磨、清洁、检验后入库，分批号存放。