CN107586135A - 陶瓷复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法和应用，所述陶瓷复合材料包括如下重量份数的原料：氮化硅80份～90份，氧化钇8份～12份，氧化铝3份～5份，碳化钛1份～3份和氮化镱0.5份～1.5份。本发明的陶瓷复合材料，用氮化硅为主的陶瓷材料进行热压烧结，所形成的高硬度且高耐温性的复合陶瓷材料，用于各种切削刀具的制作，性能大大优于现有的合金切削刀具。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前的切削刀具普遍是硬质合金材料，这种材料在普通金属材料的切削上效果尚可，但是在对高温合金和其他超硬材料的加工下，则效率很低。主要是因为这些材料的耐温性差，只能使用低速机床，冷却刀头，减少加工线速度等方法提高切削刀具的使用寿命，但是一旦满足以上的要求，加工的效率就会降低。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种陶瓷复合材料。
本发明的一种陶瓷复合材料，包括如下重量份数的原料：氮化硅80份～90份，氧化钇8份～12份，氧化铝3份～5份，碳化钛1份～3份和氮化镱0.5份～1.5份。
本发明的陶瓷复合材料，用氮化硅为主的陶瓷材料进行热压烧结，所形成的高硬度且高耐温性的复合陶瓷材料，用于各种切削刀具的制作，性能大大优于现有的合金切削刀具。
本发明陶瓷复合材料制备的切削刀具具备以下特性：
硬度：所述的陶瓷复合材料硬度(HRA93-95)远远超过被加工金属材料；
高耐温性：即使在1000摄氏度的高温下都能保持硬度；
化学稳定性：具有耐氧化性、耐扩散性，以及耐溶着、凝着(粘刀)性；
韧性：足够的抗弯强度与断裂韧性，即具备一定的耐崩刃性和耐破损性；
工艺性好：刀具材料应具有较好的可加工性以便于制造；
在金属切削加工中，刀具材料直接影响生产效率、刀具消耗、加工成本、工件的加工精度和工件表面质量，本发明的陶瓷复合材料大大提高现阶段切削加工的各项功能。
另外，本发明上述的陶瓷复合材料，还可以具有如下附加的技术特征：
作为本发明优选的实施方式，所述的陶瓷复合材料，包括如下重量份数的原料：氮化硅80份，氧化钇12份，氧化铝3份，碳化钛3份和氮化镱0.5份。
作为本发明优选的实施方式，所述的陶瓷复合材料，包括如下重量份数的原料：氮化硅90份，氧化钇8份，氧化铝5份，碳化钛1份和氮化镱1.5份。
作为本发明优选的实施方式，所述的陶瓷复合材料，包括如下重量份数的原料：氮化硅85份，氧化钇10份，氧化铝4份，碳化钛2份和氮化镱1份。
本发明的另一个目的在于提出所述的陶瓷复合材料的制备方法。
所述的陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：S101：将所述原料混合后球磨44h～50h，然后烘干并过筛；S102：将步骤S101处理过的所述原料按照预设尺寸制备素坯模具；S103：按照预设尺寸制备石墨模具，然后将所述素坯模具放入所述石墨模具中；S104：将所述步骤S103处理过的石墨模具放入热压烧结炉中，首先在6℃/min～10℃/min的升温速率下将温度升高至980℃～1200℃，然后在3℃/min～7℃/min的升温速率下将温度升高至1580℃～1620℃，同时当温度升高至1280℃～1320℃时，对所述石墨模具施加半压，再在0.5℃/min～2℃/min的升温速率下将温度升高至1830℃～1870℃，同时当温度升高至1620℃～1680℃时，对所述石墨模具施加全压；其中，所述全压＝受压面积×(180～220)Kg/m2，所述半压＝全压/2；S105：将所述热压炉冷却至室温，然后依次进行开炉、拆模，得到所述的陶瓷复合材料。
进一步地，在所述步骤S101中，过筛时筛网的大小为200目～300目。
本发明的再一个目的在于提出所述的陶瓷复合材料在制备切削刀具中的应用。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是随着温度的增加，硬质合金和实施例3的陶瓷复合材料的性能变化曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
实施例1提出了一种陶瓷复合材料，包括如下重量份数的原料：氮化硅80份，氧化钇12份，氧化铝3份，碳化钛3份和氮化镱0.5份。
实施例1的陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将所述原料混合后球磨44h，然后烘干并过200目筛。
(2)将步骤(1)处理过的所述原料按照预设尺寸制备素坯模具。
(3)按照预设尺寸制备石墨模具，然后将所述素坯模具放入所述石墨模具中。
(4)将所述步骤(3)处理过的石墨模具放入热压烧结炉中，首先在10℃/min的升温速率下将温度升高至980℃，然后在7℃/min的升温速率下将温度升高至1580℃，同时当温度升高至1320℃时，对所述石墨模具施加半压，再在0.5℃/min的升温速率下将温度升高至1870℃，同时当温度升高至1620℃时，对所述石墨模具施加全压；其中，所述全压＝受压面积×220Kg/m2，所述半压＝全压/2。
(5)将所述热压炉冷却至室温，然后依次进行开炉、拆模，得到所述的陶瓷复合材料。
实施例2
实施例2提出了一种陶瓷复合材料，包括如下重量份数的原料：氮化硅90份，氧化钇8份，氧化铝5份，碳化钛1份和氮化镱1.5份。
实施例2的陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将所述原料混合后球磨50h，然后烘干并过300目筛。
(2)将步骤(1)处理过的所述原料按照预设尺寸制备素坯模具。
(3)按照预设尺寸制备石墨模具，然后将所述素坯模具放入所述石墨模具中。
(4)将所述步骤(3)处理过的石墨模具放入热压烧结炉中，首先在6℃/min的升温速率下将温度升高至1200℃，然后在3℃/min的升温速率下将温度升高至1620℃，同时当温度升高至1280℃时，对所述石墨模具施加半压，再在2℃/min的升温速率下将温度升高至1830℃，同时当温度升高至1680℃时，对所述石墨模具施加全压；其中，所述全压＝受压面积×180Kg/m2，所述半压＝全压/2。
(5)将所述热压炉冷却至室温，然后依次进行开炉、拆模，得到所述的陶瓷复合材料。
实施例3
实施例3提出了一种陶瓷复合材料，包括如下重量份数的原料：氮化硅85份，氧化钇10份，氧化铝4份，碳化钛2份和氮化镱1份。
实施例3的陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将所述原料混合后球磨48h，然后烘干并过250目筛。
(2)将步骤(1)处理过的所述原料按照预设尺寸制备素坯模具。
(3)按照预设尺寸制备石墨模具，然后将所述素坯模具放入所述石墨模具中。
(4)将所述步骤(3)处理过的石墨模具放入热压烧结炉中，首先在8℃/min的升温速率下将温度升高至1000℃，然后在5℃/min的升温速率下将温度升高至1600℃，同时当温度升高至1300℃时，对所述石墨模具施加半压，再在1.2℃/min的升温速率下将温度升高至1850℃，同时当温度升高至1650℃时，对所述石墨模具施加全压；其中，所述全压＝受压面积×200Kg/m2，所述半压＝全压/2。
(5)将所述热压炉冷却至室温，然后依次进行开炉、拆模，得到所述的陶瓷复合材料。
将实施例3得到的陶瓷复合材料制备成切削刀具，并与现有材料的切削刀具进行对比，结果见表1。
表1：不同切削刀具材料性能参数的对比
比较硬质合金与实施例3得到的陶瓷复合材料制备成的切削刀具切削不同材料时可承受的线速度，结果见表2。
表2：硬质合金与实施例3得到的陶瓷复合材料制备成的切削刀具切削不同材料时可承
受的线速度
被切削材料的强度越高，切削时消耗的功就越多，产生的切削热就越多，切削温度就越高。被切削材料的导热系数决定了硬质合金刀具表面的温度能否处于其红硬性极限以下，从而保证刀具的切削性能。参考图1，并比较表2可以看出，实施例3得到的陶瓷复合材料制备成的切削刀具相对于硬质合金可承受更高的线速度。且实施例3的陶瓷复合材料在800℃时，硬度大于87HRA，1200℃时，硬度大于80HRA。
以镍基合金的加工数据为例：
金属去除率对比(理论切削参数、不计算刀具磨损)：
设备：牧野AGE30，主轴极限转速18000r/min。
被加工材料：GH4169镍基高温合金，Φ150×15mm，切削量约265cm3。
实施例3的陶瓷复合材料制作的刀具加工高温合金的效率是硬质合金刀具的40～80倍。
表3为实施例3的陶瓷复合材料制作的铣刀与合金铣刀的性能对比。
表3：实施例3的陶瓷复合材料制作的铣刀与合金铣刀的性能对比
注：表格中的切削参数为极限情况，实际情况可视切削速度酌情降低。
表3可以看出，实施例3的陶瓷复合材料制作的铣刀，在高转速铣床下，发挥了其高超的材料特性，可以大幅度提高加工效率。
综上，本发明的陶瓷复合材料，用氮化硅为主的陶瓷材料进行热压烧结，所形成的高硬度且高耐温性的复合陶瓷材料，用于各种切削刀具的制作，性能大大优于现有的合金切削刀具。
本发明陶瓷复合材料制备的切削刀具具备以下特性：
硬度：所述的陶瓷复合材料硬度(HRA93-95)远远超过被加工金属材料；
高耐温性：即使在1000摄氏度的高温下都能保持硬度；
化学稳定性：具有耐氧化性、耐扩散性，以及耐溶着、凝着(粘刀)性；
韧性：足够的抗弯强度与断裂韧性，即具备一定的耐崩刃性和耐破损性；
工艺性好：刀具材料应具有较好的可加工性以便于制造；
在金属切削加工中，刀具材料直接影响生产效率、刀具消耗、加工成本、工件的加工精度和工件表面质量，本发明的陶瓷复合材料大大提高现阶段切削加工的各项功能。
本专利材料制作的刀具加工高温合金的效率是硬质合金刀具的40～80倍。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种陶瓷复合材料，其特征在于，包括如下重量份数的原料：氮化硅80份～90份，氧化钇8份～12份，氧化铝3份～5份，碳化钛1份～3份和氮化镱0.5份～1.5份。
2.根据权利要求1所述的陶瓷复合材料，其特征在于，包括如下重量份数的原料：氮化硅80份，氧化钇12份，氧化铝3份，碳化钛3份和氮化镱0.5份。
3.根据权利要求1所述的陶瓷复合材料，其特征在于，包括如下重量份数的原料：氮化硅90份，氧化钇8份，氧化铝5份，碳化钛1份和氮化镱1.5份。
4.根据权利要求1所述的陶瓷复合材料，其特征在于，包括如下重量份数的原料：氮化硅85份，氧化钇10份，氧化铝4份，碳化钛2份和氮化镱1份。
5.权利要求1-4任一项所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：将所述原料混合后球磨44h～50h，然后烘干并过筛；
S102：将步骤S101处理过的所述原料按照预设尺寸制备素坯模具；
S103：按照预设尺寸制备石墨模具，然后将所述素坯模具放入所述石墨模具中；
S104：将所述步骤S103处理过的石墨模具放入热压烧结炉中，首先在6℃/min～10℃/min的升温速率下将温度升高至980℃～1200℃，然后在3℃/min～7℃/min的升温速率下将温度升高至1580℃～1620℃，同时当温度升高至1280℃～1320℃时，对所述石墨模具施加半压，再在0.5℃/min～2℃/min的升温速率下将温度升高至1830℃～1870℃，同时当温度升高至1620℃～1680℃时，对所述石墨模具施加全压；其中，所述全压＝受压面积×(180～220)Kg/m2，所述半压＝全压/2；
S105：将所述热压炉冷却至室温，然后依次进行开炉、拆模，得到所述的陶瓷复合材料。
6.根据权利要求5所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S101中，过筛时筛网的大小为200目～300目。
7.权利要求1-4任一项所述的陶瓷复合材料在制备切削刀具中的应用。
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