CN108439960B - 一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料及其制备方法 - Google Patents

一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Al2O3‑TiB2‑TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝50‑70份、二硼化钛10‑20份、氮化钛10‑20份、镍1‑5份、氧化铜1‑3份、铝1‑5份。本发明还公开了所述Al2O3‑TiB2‑TiN陶瓷刀具材料的制备方法。本发明制备的Al2O3‑TiB2‑TiN陶瓷刀具材料具有良好的断裂韧性，抗弯强度高，工艺简单，易于产业化，具有广阔的市场前景。

Description

一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及刀具材料技术领域，具体是一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料及其制备方法。
背景技术
随着现代机械工业的发展，刀具成为机械制造中十分重要的工具。制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性 (切削加工、锻造和热处理等)，并不易变形，通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高，但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。常用刀具材料分为以下几类:(1)高速钢材料；(2)硬质合金材料；(3)陶瓷刀具材料；(4)超硬刀具材料。高强钢、淬火钢、镍基合金、钛合金等金属等材料通常具有高硬度、高强度和高塑性，导致切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具耐用度下降，有时还将使己加工表面质量恶化，切屑难以控制，最终则使加工效率和加工质量降低。
陶瓷刀具材料以其优异的耐热性、耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性和化学稳定性等特点，在高速切削领域和切削难加工材料方面扮演着越来越重要的角色，制备的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。但是，还是存在易碎、断裂韧性较差等缺点，限制了其应用和发展，
发明内容
本发明的目的在于提供一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝50-70份、二硼化钛10-20份、氮化钛10-20份、镍1-5份、氧化铜1-3份、铝1-5份。
作为本发明进一步的方案：所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.01-0.1μm 的粉末。
作为本发明再进一步的方案：所述镍、氧化铜和铝均为粒度为1-3μm的粉末。
所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入聚乙烯醇水溶液20-70份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中进行真空干燥，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇150-250份，然后进行超声分散，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合24-48h，然后在70-92℃条件下烘干24-48h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以50-70℃/min的降温速率降温至600-900℃，在此温度下保温20-40min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN 陶瓷刀具材料。
作为本发明再进一步的方案：步骤1)中，所述聚乙烯醇水溶液的浓度为2-4％。
作为本发明再进一步的方案：步骤1)中，所述真空干燥为在100-120℃干燥24h。
作为本发明再进一步的方案：步骤2)中，所述超声分散为以30-50kHz的超声频率超声分散40-60min。
作为本发明再进一步的方案：步骤4)中，所述热压的条件为热压温度1300-1500℃，热压压力30-40MPa，热压时间20-30min。
所述的Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料在制备陶瓷刀具中的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明制备的Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料具有良好的断裂韧性，抗弯强度高，工艺简单，易于产业化，具有广阔的市场前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝50份、二硼化钛10份、氮化钛10份、镍1份、氧化铜1份、铝1份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
实施例2
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝70份、二硼化钛20份、氮化钛20份、镍5份、氧化铜3份、铝5份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
实施例3
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝60份、二硼化钛15份、氮化钛15份、镍2.5份、氧化铜2份、铝2.5份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
实施例4
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
实施例5
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1350℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
实施例6
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1450℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
实施例7
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力30MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
实施例8
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力40MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
对比例1
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，静置20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
对比例2
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，静置50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
对比例3
一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份。其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末。
本实施例中，所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法，步骤如下：
1)将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3％的聚乙烯醇水溶液50份，静置20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；
2)将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，静置50min，得到混合物B；
3)将步骤1)中得到的混合粉末A与步骤2)中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；
4)将步骤3)中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min,保温结束后冷却至室温，即得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
实施例1-8及对比例1-3的性能检测结果如表1所示。
表1 Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的性能检测结果表
Figure BDA0001645392120000101
根据实施例4与对比例1-3的结果可以看出，通过球磨混合与超声分散的协同作用，可以有效提高Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧性。
本发明制备的Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料具有良好的断裂韧性，抗弯强度高，工艺简单，易于产业化，具有广阔的市场前景。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料，其特征在于，包括以下按照重量份的原料：氧化铝58份、二硼化钛18份、氮化钛14份、镍3份、氧化铜1份、铝3份；其中，所述氧化铝、二硼化钛和氮化钛均为粒度为0.05μm的粉末，所述镍、氧化铜、铝均为粒度均为2μm的粉末；所述Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料的制备方法步骤如下：1）将镍、氧化铜和铝混合后置于球磨机中，加入浓度为3%的聚乙烯醇水溶液50份，球磨混合20h，放入真空干燥箱中在110℃下进行真空干燥24h，干燥后过100目筛，得到混合粉末A；2）将氧化铝、二硼化钛和氮化钛混合后，加入无水乙醇200份，然后以45kHz的超声频率进行超声分散50min，得到混合物B；3）将步骤1）中得到的混合粉末A与步骤2）中得到的混合物B共同放入球磨机中球磨混合36h，然后在80℃条件下烘干36h，获得混合物料C；4）将步骤3）中得到的混合物料C装入高强度石墨模具中，然后放入真空烧结炉中，在真空气氛下进行热压，所述热压的条件为热压温度1400℃，热压压力33MPa，热压时间25min，热压结束后冲入0.03MPa的氩气，以60℃/min的降温速率降温至800℃，在此温度下保温30min, 保温结束后冷却至室温，得Al2O3-TiB2-TiN陶瓷刀具材料。
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