CN104162661B - 一种微波烧结Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法 - Google Patents

一种微波烧结Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属微波烧结材料科学技术领域，涉及一种Al2O3‑TiC‑TiN微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法。本发明的特征是：按质量百分比亚微米为55％～75％、微米为10％～15％、亚微米为15％～20％、钼粉和镍粉为5％～10％、余量为MgO和Y2O3，进行配料；通过高纯氩气气氛保护，微波烧结工艺，成功制备出Al2O3‑TiC‑TiN微米复合陶瓷刀具材料。该复合材料致密度高，具有较高的力学性能，适合制作加工难加工材料的刀具，本发明提供的Al2O3‑TiC‑TiN微米复合陶瓷刀具材料的微波烧结方法制备的材料性能高，工艺简单、节能省时，成本低，易于产业化。

Description

一种微波烧结Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法
技术领域
本发明属微波烧结材料科学技术领域，涉及一种Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法。
背景技术
Al2O3基陶瓷刀具有许多优点，如可耐高温、高的硬度、好的抗粘结性，而且具有比一般硬质合金高5倍的耐磨性。在国内外研制的各类陶瓷刀具材料中一直占据着较大的份额。但是，断裂韧度较低一直是制约氧化铝基陶瓷材料应用和发展的主要因素。
至今报道的用作刀具的Al2O3基复合陶瓷大多数是通过热压烧结得到的，热压烧结同时加压、加热有助于颗粒间的接触、扩散和流动等传质过程，可降低烧结温度和缩短烧结时间,抑制晶粒生长，不需助烧剂，容易得到接近理论密度的烧结体，得到的材料性能高。但热压烧结效率较低，很难大批量生产且成本也高。Al2O3基复合陶瓷材料的烧结温度很高,通常用无压烧结的温度较高、升温速度较慢、保温时间较长，最终会使材料晶粒严重长大，影响其机械性能。
由上可知，现有的技术很难成功实现高性能的Al2O3基复合陶瓷刀具的高性能、低成本的批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法。
实现本发明目的的技术方案如下：一种Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料，该材料的组成按质量百分比为：亚微米ɑ-Al2O3为55％～65％、微米TiC为10％～15％、亚微米TiN为15％～20％、钼粉和镍粉为5％～10％、余量为MgO和Y2O3。
所述亚微米ɑ-Al2O3粉末颗粒粒径为0.5～0.8μm。
所述微米TiC粉末颗粒粒径为1～3μm。
所述亚微米TiN粉末颗粒粒径为0.5～1μm。
一种微波烧结上述的Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法，包括以下步骤：
步骤1、配料：按质量百分比亚微米ɑ-Al2O3为55％～65％、微米TiC为10％～15％、亚微米TiN为15％～20％、钼粉和镍粉为5％～10％、余量为MgO和Y2O3进行配料；
步骤2、混料；将步骤1配制的混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合30～60h,球磨后 烘干过筛；所述磨球为氧化铝磨球；混料过程中球料质量比为5：1～10:1。
步骤3、造粒：将混合后的粉料中加入聚乙烯醇水溶液造粒；造粒过程中，聚乙烯醇水溶液的浓度为3％～5％。
步骤4、成型：将造粒好的粉料干压成型，压力为150～250MPa，保压时间为1～5min；
步骤5、排胶：将步骤3成型的毛坯置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内真空抽至0.07MPa～0.09MPa，然后开启微波电源进行加热，用20～30℃/min的速度将毛坯加热至600℃～800℃，在此保温5～20min；
步骤6、烧结：排胶结束后，将炉体内真空抽至0.004MPa～0.006MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，以30～40℃/min的升温速度，加热至1600℃～1700℃，在此温度下保温10～30min，然后随炉冷却制得陶瓷刀具材料。所用氩气的纯度为99.99％。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：1)与传统烧结方式相比，本发明的微波烧烧结工艺的烧结温度低，保温时间短，可大大提高生产效率、降低生产成本；2)本发明提供的Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料通过向Al2O3基体中添加TiC和TiN的方法，在保持其高硬度的基础上，改善材料的强度和断裂韧度；3)本发明提出的一种Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法易于规模生产。
具体实施方式
本发明通过向Al2O3基体中添加TiC和TiN的方法，在保持其高硬度的基础上，改善材料的强度和断裂韧度，并利用微波烧结具有的加热均匀、快速的优点，克服普通氧化铝陶瓷材料力学性能低和传统烧结工艺存在的缺陷，提供性能优良，工艺简单，成本低廉的Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法。
具体而言，本发明的一种Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料，该材料的组成按质量百分比为：亚微米ɑ-Al2O3为55％～65％、微米TiC为10％～15％、亚微米TiN为15％～20％、钼粉和镍粉为5％～10％、余量为MgO和Y2O3。
所述亚微米ɑ-Al2O3粉末颗粒粒径为0.5～0.8μm。
所述微米TiC粉末颗粒粒径为1～3μm。
所述亚微米TiN粉末颗粒粒径为0.5～1μm。
一种微波烧结上述的Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法，包括以下步骤：
步骤1、配料：按质量百分比亚微米ɑ-Al2O3为55％～65％、微米TiC为10％～15％、亚微米TiN为15％～20％、钼粉和镍粉为5％～10％、余量为MgO和Y2O3进行配料；
步骤2、混料；将步骤1配制的混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合30～60h,球磨 后烘干过筛；所述磨球为氧化铝磨球；混料过程中球料质量比为5：1～10:1。
步骤3、造粒：将混合后的粉料中加入聚乙烯醇水溶液造粒；造粒过程中，聚乙烯醇水溶液的浓度为3％～5％。
步骤4、成型：将造粒好的粉料干压成型，压力为150～250MPa，保压时间为1～5min；
步骤5、排胶：将步骤3成型的毛坯置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内真空抽至0.07MPa～0.09MPa，然后开启微波电源进行加热，用20～30℃/min的速度将毛坯加热至600℃～800℃，在此保温5～20min；
步骤6、烧结：排胶结束后，将炉体内真空抽至0.004MPa～0.006MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，以30～40℃/min的升温速度，加热至1600℃～1700℃，在此温度下保温10～30min，然后随炉冷却制得陶瓷刀具材料。所用氩气的纯度为99.99％。
下面结合具体实施例进一步描述本发明：
实施例1
按质量百分比亚微米ɑ-Al2O3为55％、微米TiC为15％、亚微米TiN为20％、钼粉和镍粉为5％、余量为MgO和Y2O3进行配料，所述亚微米ɑ-Al2O3粉末颗粒粒径为0.5μm，微米TiC粉末颗粒粒径为1μm，亚微米TiN颗粒粒径为0.5μm，将配制的混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合30h,球料质量比为5：1；球磨后烘干过筛,加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液造粒；将造粒好的粉料干压成型，压力为150MPa，保压时间为5min；将成型试样置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内真空抽至0.07MPa，然后开启微波电源进行加热，用20℃/min的速度将试样加热至600℃，在此保温5min。排胶结束后，将炉体内真空抽至0.004MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，用30℃/min的升温速度，加热至1600℃，在此温度下保温10min，然后随炉冷却至室温。
经测试可得，材料的致密度为99％，维氏硬度为19.6GPa(HV20)，断裂韧度为4.82MPa·m1/2，可以满足刀具的使用要求。
实施例2
按质量百分比亚微米ɑ-Al2O3为60％、微米TiC为12％、亚微米TiN为18％、钼粉和镍粉为8％、余量为MgO和Y2O3进行配料，所述亚微米ɑ-Al2O3粉末颗粒粒径为0.7μm，微米TiC粉末颗粒粒径为2μm，亚微米TiN颗粒粒径为0.8μm，将配制的混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合48h,球料质量比为8：1；球磨后烘干过筛,加入浓度为4％的聚乙烯醇水溶液造粒；将造粒好的粉料干压成型，压力为200MPa，保压时间为3min；将成型试样置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内真空抽至0.08MPa，然后 开启微波电源进行加热，用25℃/min的速度将试样加热至700℃，在此保温15min。排胶结束后，将炉体内真空抽至0.005MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，用35℃/min的升温速度，加热至1650℃，在此温度下保温20min，然后随炉冷却至室温.
测得材料的致密度为99.2％，维氏硬度为19.5GPa(HV20)，断裂韧度为5.1MPa·m1/2，可以满足刀具的使用要求。
实施例3
按质量百分比亚微米ɑ-Al2O3为65％、微米TiC为10％、亚微米TiN为15％、钼粉和镍粉为10％、余量为MgO和Y2O3进行配料，所述亚微米ɑ-Al2O3粉末颗粒粒径为0.8μm，微米TiC粉末颗粒粒径为3μm，亚微米TiN颗粒粒径为1μm，将配制的混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合60h,球料质量比为10：1；球磨后烘干过筛,加入浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒；将造粒好的粉料干压成型，压力为250MPa，保压时间为1min；将成型试样置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内真空抽至0.09MPa，然后开启微波电源进行加热，用30℃/min的速度将试样加热至800℃，在此保温20min。排胶结束后，将炉体内真空抽至0.006MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，用40℃/min的升温速度，加热至1700℃，在此温度下保温30min，然后随炉冷却至室温.
测得材料的致密度为99.5％，维氏硬度为20GPa(HV20)，断裂韧度为4.8MPa·m1/2，可以满足刀具的使用要求。
由上可知，本发明提供的Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的微波烧结方法烧结速度快，能够制备出性能优良的Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料。

Claims (4)

1.一种微波烧结Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、配料：按质量百分比亚微米ɑ-Al2O3为55％～65％、微米TiC为10％～15％、亚微米TiN为15％～20％、钼粉和镍粉为5％～10％、余量为MgO和Y2O3进行配料；
步骤2、混料；将步骤1配制的混合粉末以无水乙醇为介质球磨混合30～60h,球磨后烘干过筛；所述磨球为氧化铝磨球；
步骤3、造粒：将混合后的粉料中加入聚乙烯醇水溶液造粒；
步骤4、成型：将造粒好的粉料干压成型，压力为150～250MPa，保压时间为1～5min；
步骤5、排胶：将步骤4成型的毛坯置于微波烧结炉中，开启真空泵，将炉体内真空抽至0.07MPa～0.09MPa，然后开启微波电源进行加热，用20～30℃/min的速度将毛坯加热至600℃～800℃，在此保温5～20min；
步骤6、烧结：排胶结束后，将炉体内真空抽至0.004MPa～0.006MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，以30～40℃/min的升温速度，加热至1600℃～1700℃，在此温度下保温10～30min，然后随炉冷却制得陶瓷刀具材料。
2.根据权利要求1所述的微波烧结Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法，其特征在于：步骤2中混料过程中球料质量比为5：1～10:1。
3.根据权利要求1所述的微波烧结Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法，其特征在于：步骤3造粒过程中，聚乙烯醇水溶液的浓度为3％～5％。
4.根据权利要求1所述的微波烧结Al2O3-TiC-TiN微米复合陶瓷刀具材料的方法，其特征在于：步骤6中所用氩气的纯度为99.99％。
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