CN106348777A - 一种氧化铝基复合陶瓷刀具材料及其微波制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属微波烧结材料科学领域，涉及一种Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料及其微波制备方法。本发明的特点是：按质量百分比确定含量，基体相Al2O3为61.4~81.4%、增强相TiC为10~30%，添加剂Mo和Ni为4%~6%、MgO和Y2O3为1~1.5%、Cr3C2为1%~2.5%。按上述配方进行配料，利用QM~3SP2行星式球磨机混料以制备出混合粉体，并压制成素坯。再利用微波烧结保温装置，通过高纯氩气保护，微波烧结工艺，成功制备出Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料。该复合材料致密度高，适用于制备难加工材料的刀具且制备效率较高。本发明提供的氧化铝基复合陶瓷刀具材料及其微波制备方法制备出的材料性能高，能源耗费低。

Description

一种氧化铝基复合陶瓷刀具材料及其微波制备方法
技术领域
本发明属于机械加工刀具制造设备技术领域，特别是一种氧化铝基复合陶瓷刀具材料及其微波制备方法。
背景技术
Al2O3/TiC复合材料具有高电导率、高硬度、高强度和高断裂韧性等优良性质，因此具有广泛的用途,特别是用作陶瓷刀具。而至今报道的用作刀具的Al2O3/TiC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/TiC复合陶瓷材料的烧结温度很高,通常用无压烧结的温度范围在1673℃～1800℃(Tian D Xia,Zuhair A,Yan L.Tang et al.Structure Formation in theCombustion synthesis of Al2O3～TiC Composites.J.Am.Ceram.Soc,2000.83(3):507～512)。但是Al2O3/TiC在高温(>1500℃)下会发生反应：Al2O3+TiC＝Al2O↑+TiO+CO↑,在烧结试样中产生气体会使其致密降低，最终影响其机械性能。
专利号为201510521945.2的中国专利公开了一种微波烧结陶瓷刀具材料用保温及辅助加热装置。所述装置包括外层莫来石箱体、耐高温氧化铝纤维棉和耐高温氧化铝泡沫砖构成的保温区以及碳化硅，石墨和活性碳粉末构成的辅助加热区。该装置在烧结过程中可承受近2000℃的烧结温度，保温效果优异。但是，由于氧化铝纤维棉与坩埚直接接触，会导致坩埚的温度散失过快。并且该专利中只有一个制备腔体，刀具材料的制备效率较低。
由上可知，现有的热压烧结技术效率较低，相应使Al2O3/TiC陶瓷刀具的成本较高；无压烧结Al2O3/TiC陶瓷需要的烧结温度较高、保温时间长，且烧结出来的刀具材料致密度不高，性能不高；而现有微波烧结保温装置烧结的效率低。因此，现有的技术很难成功实现高性能的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具的低成本、批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料及其微波烧结装置，易于实现Al2O3/TiC复合陶瓷刀具的规模生产。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料，该材料的组成按质量百分比为：基体相Al2O3为61.4～81.4％、增强相TiC为10～30％，添加剂Mo和Ni为4％～6％、MgO和Y2O3为1～1.5％、Cr3C2为1％～2.5％。
所述Al2O3粉末颗粒粒径为0.5～0.7μm。
所述TiC粉末颗粒粒径为0.5～1.5μm。
一种微波烧结上述的Al2O3/TiC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Al2O3为61.4～81.4％、TiC为10～30％，Mo和Ni为4％～6％、MgO和Y2O3为1～1.5％、Cr3C2为1％～2.5％进行配料；
步骤2、混料；将步骤1配制的混合粉末以Al2O3陶瓷球作研磨体，无水乙醇为介质球磨混合48h，进行混料；混料过程中球料质量比为8:1。
步骤3、造粒：将混合后的粉料中加入浓度为3～5wt％的PVA溶液造粒，继续球磨2h；
步骤4、成型：将造粒好的粉料烘干研磨制成粉料；再用200MPa压力压制成型，保压时间3min获得成型素坯；
步骤5、烧结：将成型素坯至于专用微波烧结保温装置中，放置于微波烧结炉中，将炉体内真空抽至0.005MPa～0.006MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，以35～40℃/min的升温速度，加热至1700℃，并在此温度下保温10min，然后随炉冷却制得陶瓷刀具材料。所用的专用多腔微波烧结保温装置为专用保温装置，由莫来石箱体、氧化铝泡沫砖、硅酸铝无石棉、多晶莫来石纤维棉层、坩埚、埋粉、硅酸铝无石棉盖子、通孔和莫来石盖子组成。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：1)本发明提供的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料的组分配比可以抑制材料晶粒长大、细化材料晶粒、提高组织致密度，制备出高性能的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料；2)本发明的微波烧烧结工艺的烧结温度低，保温时间短，可提高生产效率，降低生产成本；3)本发明提出的一种专用烧结保温装置易于规模生产Al2O3/TiC复合陶瓷刀具。
附图说明
图1为本发明中微波烧结Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料的装置结构图。
具体实施方式
一种Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料，该材料的组成按质量百分比为：基体相Al2O3为61.4～81.4％、增强相TiC为10～30％，添加剂Mo和Ni为4％～6％、MgO和Y2O3为1～1.5％、Cr3C2为1％～2.5％。
所述Al2O3粉末颗粒粒径为0.5～0.7μm。
所述TiC粉末颗粒粒径为0.5～1.5μm。
一种微波烧结上述的Al2O3/TiC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Al2O3为61.4～81.4％、TiC为10～30％，Mo和Ni为4％～6％、MgO和Y2O3为1～1.5％、Cr3C2为1％～2.5％进行配料；
步骤2、混料；将步骤1配制的混合粉末以Al2O3陶瓷球作研磨体，无水乙醇为介质球磨混合48h，进行混料；混料过程中球料质量比为8:1。
步骤3、造粒：将混合后的粉料中加入浓度为3～5wt％的PVA溶液造粒，继续球磨2h；
步骤4、成型：将造粒好的粉料烘干研磨制成粉料；再用200MPa压力压制成型，保压时间3min获得成型素坯；
步骤5、烧结：将成型素坯至于专用微波烧结保温装置中，放置于微波烧结炉中，将炉体内真空抽至0.005MPa～0.006MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，以35～40℃/min的升温速度，加热至1550～1700℃，并在此温度下保温10～30min，然后随炉冷却制得陶瓷刀具材料。
所用的专用多腔微波烧结保温装置由莫来石箱体1、氧化铝泡沫砖2、硅酸铝无石棉3、多晶莫来石纤维棉层4、坩埚5、埋粉6、烧结试样7、硅酸铝无石棉盖子8、通孔9和莫来石盖子10组成，其中氧化铝泡沫砖位于莫来石箱体的底部，氧化铝泡沫砖的上方铺放硅酸铝无石棉，硅酸铝无石棉的内部设置多晶莫来石纤维棉层，多晶莫来石纤维棉层中设置坩埚，坩埚的内部设置埋粉，烧结试样放置于埋粉中，坩埚的上方设置硅酸铝无石棉盖子，硅酸铝无石棉盖子的顶部设置莫来石盖子，所述莫来石盖子和硅酸铝无石棉盖子均开有用于红外测温的通孔，两者的中心线重合且孔径相同。
本发明提供的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料的组分配比可以抑制材料晶粒长大、细化材料晶粒、提高组织致密度，制备出高性能的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料。
下面结合具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例：
实施例1
按质量百分比Al2O3为61.4％，TiC为30％，Mo、Ni、MgO、Y2O3、Cr3C2分别为3％、3％、0.65％、0.65％、1.3％进行配料，所述Al2O3粉末颗粒粒径为0.6μm，TiC粉末颗粒粒径为1μm，以酒精为球磨介质，在QM～3SP2式行星式球磨机中以200rpm的转速球磨48h，之后向原料中加入浓度为5wt％的PVA溶液，继续球磨2小时；取出混料置于干燥箱中烘干，然后过筛。将获得的混料放入模具中，用冷压成型法通过200MPa压力制得具有一定形状和强度的素坯，并保压3分钟。将压制成型的素坯置于多腔专用微波保温装置中，放入NJZ5～1型真空微波烧结炉内，以40～50℃/min的升温速度升温至1700℃并保温10min，随炉冷却完成烧结。
经测试可得，三块材料的平均致密度为98.72％，维氏硬度为20.46GPa，断裂韧度为4.90MPa·m1/2，可以满足刀具的使用要求。
实施例2
按质量百分比：Ⅰ组Al2O3为71.4％、TiC为20％，Ⅱ组Al2O3为61.4％、Ⅲ组TiC为30％，Al2O3为51.4％、TiC为40％，添加剂Mo、Ni、MgO、Y2O3、Cr3C2含量不变，分别为3％、3％、0.65％、0.65％、1.3％配料三组，所述Al2O3粉末颗粒粒径为0.6μm，TiC粉末颗粒粒径为1μm，以酒精为球磨介质，在QM～3SP2式行星式球磨机中以200rpm的转速球磨48h，之后向原料中加入浓度为5wt％的PVA溶液，继续球磨2小时；取出混料置于干燥箱中烘干，然后过筛。将获得的混料放入模具中，用冷压成型法通过200MPa压力制得具有一定形状和强度的素坯，并保压3分钟。将压制成型的三种素坯分别置于多腔专用微波保温装置中，放入NJZ5～1型真空微波烧结炉内，以40～50℃/min的升温速度升温至1700℃并保温10min，随炉冷却完成烧结。
测得材料的致密度：Ⅰ组93.60％，Ⅱ组96.76％，Ⅲ组97.99％，维氏硬度分别为15.41GPa、16.55GPa、16.71GPa，断裂韧度分别为4.83MPa·m1/2、5.10MPa·m1/2、4.27MPa·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复合陶瓷刀具材料组分配比所烧结的刀具性能良好，微波烧结保温装置烧结效率高。

Claims (6)

1.一种Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料，其特征在于，该材料的组成按质量百分比为：基体相Al2O3为61.4～81.4％、增强相TiC为10～30％，添加剂Mo和Ni为4％～6％、MgO和Y2O3为1～1.5％、Cr3C2为1％～2.5％。
2.根据权利要求1所述的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料，其特征在于，所述Al2O3粉末颗粒粒径为0.5～0.7μm。
3.根据权利要求1所述的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料，其特征在于，所述TiC粉末颗粒粒径为0.5～1.5μm。
4.一种微波烧结权利要求1、2或3所述的Al2O3/TiC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Al2O3为61.4～81.4％、TiC为10～30％，Mo和Ni为4％～6％、MgO和Y2O3为1～1.5％、Cr3C2为1％～2.5％进行配料；
步骤2、混料；将步骤1配制的混合粉末以Al2O3陶瓷球作研磨体，无水乙醇为介质球磨混合48h，进行混料；
步骤3、造粒：将混合后的粉料中加入浓度为3～5wt％的PVA溶液造粒，继续球磨2h；
步骤4、成型：将造粒好的粉料烘干研磨制成粉料；再用200MPa压力压制成型，保压时间3min获得成型素坯；
步骤5、烧结：将成型素坯至于专用微波烧结保温装置中，放置于微波烧结炉中，将炉体内真空抽至0.005MPa～0.006MPa，然后冲入0.03MPa的氩气，以35～40℃/min的升温速度，加热至1550～1700℃，并在此温度下保温10～30min，然后随炉冷却制得陶瓷刀具材料。
5.根据权利要求4所述的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料的微波烧结方法，其特征在于，步骤2中混料过程中球料质量比为8:1。
6.根据权利要求4所述的Al2O3/TiC复合陶瓷刀具材料的微波烧结方法，其特征在于，步骤5中所用的专用多腔微波烧结保温装置由莫来石箱体(1)、氧化铝泡沫砖(2)、硅酸铝无石棉(3)、多晶莫来石纤维棉层(4)、坩埚(5)、埋粉(6)、烧结试样(7)、硅酸铝无石棉盖子(8)、通孔(9)和莫来石盖子(10)组成，其中氧化铝泡沫砖位于莫来石箱体的底部，氧化铝泡沫砖的上方铺放硅酸铝无石棉，硅酸铝无石棉的内部设置多晶莫来石纤维棉层，多晶莫来石纤维棉层中设置坩埚，坩埚的内部设置埋粉，烧结试样放置于埋粉中，坩埚的上方设置硅酸铝无石棉盖子，硅酸铝无石棉盖子的顶部设置莫来石盖子，所述莫来石盖子和硅酸铝无石棉盖子均开有用于红外测温的通孔，两者的中心线重合且孔径相同。
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