CN103880430A - 多相高强度、高耐磨氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于加工铸铁及合金的多相高强高耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料的制备方法以及用该材料制成的陶瓷刀具制备方法。使用此方法通过原位生长α-sialon，减少晶间相，增强增韧陶瓷材料，得到的材料室温下抗弯强度为900-1000MPa，断裂韧性为8-10MPa/m²，硬度为92-94.5HRA，采用本发明中的方法将陶瓷材料加工成刀具，在切削球墨铸铁QT450-10时600m/min的速度，切削长度1000米时，后刀面磨损小于0.4毫米，高于目前市场上商业化刀具的切削水平。

Description

多相高强度、高耐磨氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制备方法

技术领域

本发明涉及氮化硅陶瓷刀具材料的制备方法，一种多相高强度高耐磨用于加工铸铁及合金刀具材料及刀具的制备方法。

背景技术

近年来，氮化硅陶瓷刀具由于其较高的硬度，强度，断裂韧性，较小的膨胀系数，耐高温以及自然界取之不尽的硅、氮等元素，在现代化加工领域得到广泛地应用。但是，随着现代化加工技术要求的不断提高，对相应材料性能的要求也水涨船高，对材料由于其性能的差别分工也越加细化，根据加工产品的性能不同使用之相匹配的的陶瓷刀具材料，既可以提高加工效率，又可以节省材料的损耗。

而氮化硅陶瓷材料的性能取决于其微观结构，科学家通过添加助剂和改变烧结方式改变其微观结构，美国专利US7968484中采用热压的方法通过对烧结助剂的调整以及添加贝塔氮化硅晶种得到由β氮化硅相和晶界相组成的陶瓷材料，室温下抗弯强度为1000MPa，断裂韧性为9MPa/m²，然而这种方法生产的陶瓷材料的硬度不高，在刀具的应用上无法满足一般要求,在高速切削过程中磨损很快。

也有科学家通过添加ⅣBⅤBⅥB族金属元素的碳化物、氮化物以及碳氮化物晶须增韧陶瓷材料，并提高耐磨性，取得了很好的效果，但是晶须增韧相对.成本较高，一般用于钢材的加工，并且晶须容易出现混合不匀的情况。

但是，同时还有研究表明，晶须增强陶瓷并不是其本身强度增强，而是因为晶须的尺寸和形状起到的作用。

中国专利CN101538161中公开了一种氮化硅陶瓷材料在陶瓷轴承球制备中的应用，采用气氛烧结的方法，使用多种稀土氧化物烧结助剂，生产出一种综合性能较高的氮化硅陶瓷材料，但是气氛烧结的方法对材料的致密性有影响，生产出来的产品耐磨性不足，并且在烧结助剂的选择上仍然可以细化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于加工铸铁及合金的多相高强、高耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明用重量百分比为94%-96%的α-Si₃N₄粉末，1%的β-Si₃N₄晶种，长径比2:1-5:1，2wt%-3.5wt%的三种及以上稀土金属氧化物助剂，1wt%-2wt%的次致密化助剂金属氧化物和金属氮化物，混合，球磨，烘干后放入石墨磨具中在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中升温至1400℃-1450℃下保温3-5min，再升温至1750-1800℃保温20-40min后，在1350℃退火1小时。

作为本发明的一种优选，次致密化助剂金属氧化物不是稀土金属氧化物，是MgO、Al₂O₃和AlN的混合物。

作为本发明的另一种优选，三种及以上稀土金属氧化物的离子半径成阶梯型分布。

作为本发明的再一种优选，三种及以上稀土金属氧化物包括Y₂O₃,La₂O₃,Yb₂O₃。

将按照上述方法所制成的陶瓷材料加工成所需测试样品，镜面抛光，测量强度及硬度，得到的陶瓷材料室温下抗弯强度为900-1000MPa，断裂韧性为8-10MPa/m²，硬度为92-94.5HRA，在保证现有技术的性能降低不多的情况下，提高了材料的硬度及耐磨性。

本发明所要解决的另外一个技术问题是提供一种加工铸铁和合金的氮化硅陶瓷刀具的制备方法，其步骤在于，采用上述制备氮化硅刀具材料的方法，生产出陶瓷毛坯刀具，平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨做成氮化硅陶瓷刀片。

将制好的氮化硅陶瓷刀具置于机床上，进行车削试验，加工工件为QT450-10，进给量f=0.3mm/r切削速度υ=600m/min,切削深度a_p=2.0mm，切削长度为1000m时，后刀面磨损小于0.4mm，高于目前市场上商业化刀具的切削水平。

如上所述刀具也可以采用PVD或CVD的方法在刀具表面镀膜。

具体实施方式

本发明在现有技术的基础上通过对烧结助剂的进一步改进,引进塞隆相，减少晶间相，在确保现有技术中的抗弯强度和韧性降幅较小的前提下，提高材料的硬度耐磨性，实现刀具在高速切削条件下较小损耗。

现有技术中，采用氧化镧作为稀土金属氧化物烧结助剂、MgO为次致密金属氧化物烧结助剂以及少量的β-Si₃N₄晶种，采用热压烧结的方法在1700℃-1800℃下烧结，得到很高强度和韧性好的陶瓷材料。

本发明在现有技术基础上，为了减少晶界相，促进sialon陶瓷及多形体的增长，增加了Al₂O₃和AlN作为次致密化金属氧化物烧结助剂，在稀土氧化物的选择上增加了与金属镧离子半径呈阶梯分布的两种及两种以上稀土金属氧化物。稀土金属离子半径越大，离子就越难进入α氮化硅晶格间隙，但是离子半径大的稀土金属有助于长棒状柱晶的形成，增加材料的韧性，而多种离子半径差距较大的稀土金属元素的加入起到互相抑制及互相促进的作用，并且原子量大的稀土金属元素的加入，对氧含量的减少也有帮助。

同时，发明人考虑到共融温度的影响，较低的共融温度促进晶体的致密生长，避免晶体的异常长大，增加材料的耐磨性。Y³⁺的离子半径为0.090nm，La³⁺为0.103nm，Yb³⁺的离子半径为0.086nm。Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂的共融温度在1350℃，La₂O₃-MgO-Al₂O₃-SiO₂的共融温度为1400℃，都处于一个较低的温度，而Yb₂O₃的离子半径较小易于与α氮化硅结合形成α-sialon。所以，稀土金属氧化物除了La₂O₃以外，另外两种稀土金属氧化物选择Y₂O₃和Yb₂O₃。

发明中发现，增加α氮化硅粉体的重量百分比，减少烧结助剂的使用量，可以提高陶瓷材料的致密度。实验采用重量百分比为94%-96%的α-Si₃N₄粉末，1%的β-Si₃N₄晶种，长径比2:1-5:1,2wt%-3.5wt%的三种及以上稀土金属氧化物，1wt%-2wt%的次致密化助剂金属氧化物。

将上述原料混合，球磨，烘干后放入石墨磨具中进行热压烧结。

上面提到，在1400℃时，烧结助剂都可以共融，本方法采用烧结助剂较少，发明者选择在1400℃-1450℃下保温，使助剂更加均匀分布，但同时，热压烧结的过程较快，也不应保温过长时间，以免等轴晶体的大量生成，降低材料的韧性。

同时，在1750℃-1800℃下给晶体充分的时间生长，需要保温一段时间，但为了防止晶体的异常长大，保证材料的致密性，保温时间不宜过长。

我们在发明中使用了三种及以上稀土金属氧化物作为烧结助剂，以及三种次致密化助剂，同样为了增加材料的致密性，进而加强其耐磨性，烧结后的材料在1300℃下做退火处理。

结果发现，三种的稀土金属氧化物的烧结助剂有利于材料性能的提高。

烧结步骤如下，将装有氮化硅粉末的模具在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中升温至1750-1800℃保温20-40min后，在1300℃退火1小时。

在发明中发现，烧结过程中在1400℃-1450℃下保温3-5分钟，对提高材料的性能有一定的帮助。

选择性能较好的样品与根据现有技术生产的产品抛光腐蚀，在扫描电镜下（SEM）观察其微观结构，同时使用X射线衍射仪确定材料的物相组成，得到以下结果：

包括晶轴为1-3微米体积百分比(以下简称vol%)为15vol%-45vol%的β-Si₃N₄针状长晶，晶体长径比为2:1-10:1；

晶轴为0.5-1微米25vol%-80vol%的β-Si₃N₄细晶；

晶轴为1-3微米1vol%-30vol%的α'-Si₃N₄柱状晶及等轴晶，长径比为1:1-3:1；

1vol%-5vol%的晶间相Si，N，O，Y，两种及以上镧系稀土金属元素以及次致密化助剂金属元素；

β-Si₃N₄长晶各向异性。

将降至室温后的陶瓷刀片毛坯平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨做成氮化硅陶瓷刀片，然后置于机床上，加工QT450-10，设置为前角γ₀=-5°后角α₀=5°刃倾角λ_s=5°主偏角k_r=45°负倒棱宽度b_r=0.2mm负倒棱γ₀₁=20°刀尖圆弧半径r=0.3mm,进给量f=0.2mm/r切削速度υ=255m/min,切削深度a_p=2.0mm。

实施例1

将重量百分比(以下简称为wt%)为89%的α-Si3N4粉末，1%以β-Si₃N₄晶种及8%的不同稀土氧化物烧结助剂，及不同重量百分比的次致密化助剂，（详见表1），将混合好的粉体用酒精混合，球磨48-80小时，烘干，过100目筛，然后放入石墨磨具中，在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中升温至1750-1800℃保温20-40min后，在1350℃退火1小时，降至室温后加工成所需测试样品，镜面抛光，测量强度及硬度，测得样品结果（详见表2）。

表1

表2

实施例2

将不同重量百分比的α-Si₃N₄粉体，1%的β-Si₃N₄晶种和不同重量百分比的稀土金属氧化物烧结助剂，及相应重量百分比的次致密化助剂混合（详见表3），球磨，烘干，过筛后放入石墨磨具中，在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中升温至1750-1800℃保温30-60min后，在1350℃退火1小时，降至室温后加工成所需测试样品，镜面抛光，测量强度及硬度，（详见表4）。

表3

表4

实施例3

将样品1、5、2A、3A的粉体球磨，烘干，过筛后放入石墨磨具中，在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中迅速升温至1400℃-1450℃下保温1min，再升温至1750-1800℃保温20-40min后，在1350℃退火1h，降至室温后加工成所需测试样品，镜面抛光，测量强度及硬度，（详见表5）。

表5

实施例4

将样品1、5、2A、3A的粉体球磨，烘干，过筛后放入石墨磨具中，在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中迅速升温至1400℃-1450℃下保温5min，再升温至1750-1800℃保温20-40min后，在1350℃退火1h，降至室温后加工成所需测试样品，镜面抛光，测量强度及硬度，（详见表6）。

表6

实施例5

将样品1、5、2A、3A的粉体球磨，烘干，过筛后放入石墨磨具中，在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中迅速升温至1400℃-1450℃下保温3min，再升温至1750-1800℃保温20-40min后，在1350℃退火1h，降至室温后加工成所需测试样品，镜面抛光，测量强度及硬度，并且通过扫描电镜及X-ray射线测量陶瓷微结构，（详见表7）。

表7

车削试验

加工工件：QT450-10

刀具：前角γ₀=-5°后角α₀=5°刃倾角λ_s=5°主偏角k_r=45°负倒棱宽度b_r=0.2mm负倒棱γ₀₁=20°刀尖圆弧半径r=0.3mm,进给量f=0.2mm/r切削速度υ=255m/min,切削深度a_p=2.0mm,切削长度为L=1600米时，各样品后刀面磨损值，其中样品1-3硬度不够，无法实现高速切削。（详见表8）。

表8

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多相高强度高耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料的制备方法，其步骤是：

用重量百分比为94%-96%的α-Si₃N₄粉末；

1%的β-Si₃N₄晶种，长径比2:1-5:1；

2wt%-3.5wt%的三种及以上稀土金属氧化物助剂；

1wt%-2wt%的次致密化助剂金属氧化物和金属氮化物；

混合，球磨，烘干后放入石墨磨具中在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，

在N₂中升温至1400℃-1450℃下保温3-5min，再升温至1750-1800℃保温20-40min后，在1300℃退火1小时。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述次致密化助剂金属氧化物不是稀土金属氧化物。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是：所述次致密化助剂是MgO、Al₂O₃和AlN的混合物。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是:所述三种及以上稀土金属氧化物的离子半径成阶梯型分布。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是:所述三种及以上稀土金属氧化物包括Y₂O₃,La₂O₃,Yb₂O₃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：用此方法制成的陶瓷刀具材料用于制造加工铸铁和合金的刀具。

7.一种用于加工铸铁及合金的氮化硅陶瓷刀具的制备方法，其步骤是：所述陶瓷刀具的制备方法，采用权利要求1所述制备氮化硅刀具材料的方法，生产出陶瓷毛坯刀具，平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨做成氮化硅陶瓷刀片。