CN102094144B - 超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料及其制备方法 - Google Patents

超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新材料技术领域，尤其是一种超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料及其制备方法。制备超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料的混合粉末成分(质量比％)为：TiB2 70-75％；WC 18-22％；Ni 4-8％；Mo 0-4％。制备工艺路线为：(1)将按比例配制的TiB2、WC、Ni、Mo混合粉末装入缸式球磨机中，用硬质合金球磨24小时和用200目筛过筛；(2)将过筛后的配料装入上下封闭的石墨容器，再放入真空高温烧结炉内；(3)采用分阶段加压和阶梯逐步升温热压烧结制备TiB2-WC复合陶瓷刀具材料。本发明克服了TiB2陶瓷难于烧结的难题，在保证复合材料高硬度的前提下，发挥了超细WC颗粒的增韧补强作用，提高了材料的抗弯强度和断裂韧度，该材料质量优、成本低，设备及工艺简单，易于产业化。

Description

超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料及其制备方法
一、技术领域
本发明涉及新材料技术领域，尤其是一种超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料及其制备方法。
二、背景技术
TiB2陶瓷具有某些独特的物理化学性能，如熔点高、高温硬度高、热传导性好、与金属的黏着性和摩擦系数低、化学稳定性好等，是一种很有发展前途的陶瓷材料。但由于TiB2的自扩散系数低，使得它的可烧结性受到很大影响；同时，几乎所有可作为陶瓷粘结相的金属与TiB2都发生较为强烈的化学反应而导致陶瓷的强度和韧性低，其应用受到很大限制，因此TiB2基陶瓷材料的研究进展缓慢。目前研究较多的TiB2基陶瓷材料有TiB2-Fe、TiB2-FeMo以及TiB2-Fe-Cr-Ni等。然而这些TiB2基陶瓷材料中添加的金属粘结相含量较高，虽然获得的材料较为致密，但是材料的硬度降低严重、且金属粘结相与切削工件材料的亲和性强，因此这样的TiB2基陶瓷不适合用作刀具材料。
通过向基体中添加增强相的方法能够获得综合力学性能优异的复合陶瓷材料，超细WC粉体具有高的烧结活性和强韧性，同时Ni金属对WC和TiB2在真空热压条件下都具有较好的润湿性，Mo金属作为稳定剂能吸收WC和TiB2中游离的碳而形成碳化物固溶体并进一步强化粘结相对WC和TiB2的润湿效果。本技术通过选择合理的增韧补强相以及适量的金属烧结剂，并使用合理的制备工艺制备复合材料，提高了TiB2基复合陶瓷材料的烧结性能，获得了能够兼顾强度、韧度以及硬度的TiB2基复合陶瓷刀具材料。
三、发明内容
本发明的目的在于克服目前TiB2基陶瓷刀具材料力学性能低、制备工艺复杂、成本高的缺陷，提供质量优良、成本低廉的超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料及工艺简单、成本低廉的制备方法。
本发明通过利用高硬度的TiB2、高活性和强韧性的超细WC、金属Ni和Mo对TiB2相和WC相的润湿强化作用，通过分阶段加压和阶梯逐步升温的办法，控制烧结工艺，优化材料力学性能，研究出综合力学性能优良的超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷材料及其制备方法，制备的陶瓷材料适合制作用于切削加工高硬度、高强度工件材料的刀具。
本发明的基本构思是将TiB2、WC、Ni、Mo粉末按照一定的质量比例混合，采用真空分阶段加压和阶梯逐步升温热压烧结法，在合适的升温速率、压力、生长温度和保温时间下，合成系列TiB2-WC超硬材料。
制备超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料的混合粉末成分(质量比％)为：TiB2 70-75％；WC 18-22％；Ni 4-8％；Mo 0-4％。
制备工艺路线为：(1)将按比例配制的TiB2、WC、Ni、Mo混合粉末装入缸式球磨机中，用硬质合金球磨24小时和用200目筛过筛；(2)将过筛后的配料装入上下封闭的石墨容器，再放入真空高温烧结炉内；(3)采用分阶段加压和阶梯逐步升温热压烧结制备TiB2-WC复合陶瓷刀具材料，将烧结初始压力调整为5MPa并开始加温烧结，15分钟后将温度升高到1000℃并将压力调整为10MPa后保温5分钟，再经过8分钟将温度升高到1400℃并将压力调整为20MPa后保温10分钟，再将压力调整为30MPa后经过5分钟升温至1650℃，再将压力调整为40MPa并保温60分钟，停止加热自然冷却。
其合成的陶瓷刀具材料的纯度高，细小的WC晶粒均匀的分布在TiB2晶粒之间的骨架微观结构中，WC晶粒的平均尺寸小于1um，TiB2晶粒的平均尺寸为2μm。合成的陶瓷材料的抗弯强度为1133.3-1307.0MPa，断裂韧度为7.7-8.2MPa.m0.5，硬度为20.6-22.7GPa。
本发明构思新颖，通过选择适量金属助烧剂和合理的制备工艺方法，克服了TiB2陶瓷难于烧结的问题，在保证复合材料高硬度的前提下，充分发挥了超细WC颗粒的增韧补强作用，提高了TiB2基复合陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧度。制备的复合材料质量高，能满足切削加工对刀具材料力学性能的要求，且成本低，设备及工艺简单，易于产业化。
四、附图说明
图1为烧结工艺中的加热过程曲线；
图2为烧结工艺中的加压过程曲线；
图3为超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料的SEM图；
图4为超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料的XRD图。
五、实施例：
按实施例附表中所列的组成成分，(1)将混合粉末装入缸式球磨机中，加入适量无水乙醇稀释后用硬质合金球磨24小时，再放入干燥相中快速干燥后使用200目筛过筛，获得TiB2-WC均匀复合粉体；(2)将复合粉体装入石墨模具中，并使用压力机将粉料压实后放入高温烧结炉内，通过两级真空泵使炉内达到高真空度，并使用上下两个压头给模具加压；(3)将烧结初始压力调整为5MPa并开始加温烧结，15分钟后将温度升高到1000℃并将压力调整为10MPa后保温5分钟，再经过8分钟将温度升高到1400℃并将压力调整为20MPa后保温10分钟，再将压力调整为30MPa后经过5分钟升温至1650℃，再将压力调整为40MPa并保温60分钟，停止烧结自然冷却，制备工艺完成。
实施例附表

Claims (1)

1.超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料，其特征在于：制备超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料的混合粉末成分质量比为：TiB2 70-75％；WC 18-22％；Ni 4-8％；Mo 0-4％；
制备超细WC颗粒增韧补强TiB2基复合陶瓷刀具材料的工艺过程为：(1)将按比例配制的TiB2、WC、Ni、Mo混合粉末装入缸式球磨机中，用硬质合金球磨24小时和用200目筛过筛；(2)将过筛后的配料装入上下封闭的石墨容器，再放入真空高温烧结炉内；(3)采用分阶段加压和阶梯逐步升温热压烧结制备TiB2-WC复合陶瓷刀具材料，将烧结初始压力调整为5MPa并开始加温烧结，15分钟后将温度升高到1000℃并将压力调整为10MPa后保温5分钟，再经过8分钟将温度升高到1400℃并将压力调整为20MPa后保温10分钟，再将压力调整为30MPa后经过5分钟升温至1650℃，再将压力调整为40MPa并保温60分钟，停止加热自然冷却。
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