CN108947495A - 一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料及其制备方法，包括步骤：1)原料的准备；2)将50～70重量份粒径为0.5～1.5μm的氧化铝粉末、15～25重量份粒径为0.5～1.5μm的碳氮化钛粉末、15～25重量份粒径为0.5～1.5μm碳化钨钛粉末,倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨43～53h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用；3)装料与烧结；克服单一添加颗粒对提高材料力学性能受到限制的缺陷，能有效提高陶瓷刀具材料综合力学性能。

Description

一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷刀具材料具有较高的硬度和耐磨性及良好的高温力学性能，其与金属亲和力小、摩擦系数较低、化学稳定性好，在切削过程中不易与金属发生粘结。因此，陶瓷刀具具有可以加工传统刀具难以加工或根本不能加工的超硬材料等诸多优点。但是由于陶瓷刀具所固有的脆性缺陷限制了其实际应用，因此如何在保持超强度、高硬度的优势下，有效地改善其脆性、提高其在实际应用中的可靠性便成为了陶瓷刀具材料研制的关键问题。近年来，在优化陶瓷刀具材料性能的探索过程中做出了许多努力，其中在基体中添加增强颗粒是一种有效且易于实现的改善陶瓷材料力学性能的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服单一添加颗粒对提高材料力学性能受到限制的缺陷，提供一种能有效提高陶瓷刀具材料综合力学性能的氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料，其特征在于，包括下列重量份的原料：
氧化铝 50～70；
碳氮化钛 15～25；
碳化钨钛 15～25。
作为优选的技术方案，所述氧化铝为0.5～1.5μm的氧化铝粉末。
作为优选的技术方案，所述碳氮化钛为0.5～1.5μm的碳氮化钛粉末。
作为优选的技术方案，所述碳化钨钛为0.5～1.5μm的碳化钨钛粉末。
作为优选的技术方案，所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
本发明还提供一种制备氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料的方法，包括步骤：
1)用无水乙醇作为介质，分别对氧化铝、碳氮化钛和碳化钨钛原料粉末进行单独球磨，球磨过程在缸式球磨机上进行，其中，将氧化铝粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5～1.5μm的粉末；碳氮化钛粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5～1.5μm的粉末；碳化钨钛粉末球磨230～250h,以减小粉末粒径至0.5～1.5μm，之后都经过真空干燥、过筛，封装以备用；
2)将50～70重量份粒径为0.5～1.5μm的氧化铝粉末、15～25重量份粒径为0.5～1.5μm的碳氮化钛粉末、15～25重量份粒径为0.5～1.5μm碳化钨钛粉末,倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨43～53h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用；
3)将混合好的复合陶瓷材料粉末装入石墨模具，在真空环境中，采用均匀加压的热压烧结工艺；从20℃开始加热到1600℃、1650℃、1700℃，升温速度为50℃/min,烧结时压力预加至4Mpa；后续根据要求压力均匀加至32MPa；保温保压阶段温度为1600℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；
并且之后随炉冷却至室温，保温保压阶段温度为1650℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；保温保压阶段温度为1700℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；并且之后随炉冷却至室温即得所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料。
作为优选的技术方案，烧结后的复相陶瓷刀具材料的抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
本发明的有益效果：
1)能有效提高陶瓷刀具材料综合力学性能；
2)在脆性基体中同时添加微米和纳米增强颗粒，充分发挥微米增韧和纳米增强效应，采用热压烧结方法，并通过优化材料配比、烧结温度、保温时间等工艺参数，制备出综合力学性能较高的复相陶瓷刀具材料。
由于采用了上述技术方案，一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料及其制备方法，包括步骤：1)用无水乙醇作为介质，分别对氧化铝、碳氮化钛和碳化钨钛原料粉末进行单独球磨，球磨过程在缸式球磨机上进行，其中，将氧化铝粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5～1.5μm的粉末；碳氮化钛粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5～1.5μm的粉末；碳化钨钛粉末球磨230～250h,以减小粉末粒径至0.5～1.5μm，之后都经过真空干燥、过筛，封装以备用；2)将50～70重量份粒径为0.5～1.5μm的氧化铝粉末、15～25重量份粒径为0.5～1.5μm的碳氮化钛粉末、15～25重量份粒径为0.5～1.5μm碳化钨钛粉末,倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨43～53h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用；3)将混合好的复合陶瓷材料粉末装入石墨模具，在真空环境中，采用均匀加压的热压烧结工艺；从20℃开始加热到1600℃、1650℃、1700℃，升温速度为50℃/min,烧结时压力预加至4Mpa；后续根据要求压力均匀加至32MPa；保温保压阶段温度为1600℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；并且之后随炉冷却至室温，保温保压阶段温度为1650℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；保温保压阶段温度为1700℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；并且之后随炉冷却至室温即得所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料；克服单一添加颗粒对提高材料力学性能受到限制的缺陷，能有效提高陶瓷刀具材料综合力学性能；在脆性基体中同时添加微米和纳米增强颗粒，充分发挥微米增韧和纳米增强效应，采用热压烧结方法，并通过优化材料配比、烧结温度、保温时间等工艺参数，制备出综合力学性能较高的复相陶瓷刀具材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本工艺制备的复合陶瓷刀具材料断口显微结构的扫描电镜照片；
图2为碳化钨钛(W,Ti)C颗粒对裂纹偏转与桥接的扫描电镜照片；
图3为Ti(C,N)颗粒对裂纹偏转与桥接的扫描电镜照片。
具体实施方式
一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料，其特征在于，包括下列重量份的原料：
氧化铝 50～70；
碳氮化钛 15～25；
碳化钨钛 15～25。
所述氧化铝为0.5～1.5μm的氧化铝粉末。
所述碳氮化钛为0.5～1.5μm的碳氮化钛粉末。
所述碳化钨钛为0.5～1.5μm的碳化钨钛粉末。
所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
本发明还提供一种制备氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料的方法，包括步骤：
1)用无水乙醇作为介质，分别对氧化铝、碳氮化钛和碳化钨钛原料粉末进行单独球磨，球磨过程在缸式球磨机上进行，其中，将氧化铝粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5～1.5μm的粉末；碳氮化钛粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5～1.5μm的粉末；碳化钨钛粉末球磨230～250h,以减小粉末粒径至0.5～1.5μm，之后都经过真空干燥、过筛，封装以备用；
2)将50～70％重量份粒径为0.5～1.5μm的氧化铝粉末、15～25％重量份粒径为0.5～1.5μm的碳氮化钛粉末、15～25％重量份粒径为0.5～1.5μm碳化钨钛粉末,倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨43～53h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用；
3)将混合好的复合陶瓷材料粉末装入石墨模具，在真空环境中，采用均匀加压的热压烧结工艺；从20℃开始加热到1600℃、1650℃、1700℃，升温速度为50℃/min,烧结时压力预加至4Mpa；后续根据要求压力均匀加至32MPa；保温保压阶段温度为1600℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；
并且之后随炉冷却至室温，保温保压阶段温度为1650℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；保温保压阶段温度为1700℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；并且之后随炉冷却至室温即得所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料。
烧结后的复相陶瓷刀具材料的抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
实施例一：
按质量百分比进行配料，按实施例参数附表称取:氧化铝粉末总量为65～55％；碳氮化钛粉末总量为20，碳化钨钛粉末总量为15～25；将球磨好的氧化铝粉末，碳氮化钛粉末，碳化钨钛粉末按比例倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨48h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用。将混合好的复合陶瓷材料粉末装入石墨模具，在真空环境中，采用均匀加压的热压烧结工艺；从室温开始加热到1650℃，升温速度为50℃/min,烧结时压力预加至4Mpa；后续根据要求压力均匀加至32MPa；保温保压阶段温度为1500℃，压力为32MPa，保温保压时间为20min，并且之后随炉冷却至室温，热压成型。
实施例参数附表
烧结得到的复合陶瓷刀具材料的抗弯强度为670～945MPa，断裂韧度6.6～6.9MPa·m1/2，硬度为19.4～20.5Gpa。
实施例二：
1)用无水乙醇作为介质，分别对氧化铝、碳氮化钛和碳化钨钛原料粉末进行单独球磨，球磨过程在缸式球磨机上进行，其中，将氧化铝粉末球磨65h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5μm的粉末；碳氮化钛粉末球磨65h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5μm的粉末；碳化钨钛粉末球磨230h,以减小粉末粒径至0.5μm，之后都经过真空干燥、过筛，封装以备用；
2)将50重量份粒径为0.5μm的氧化铝粉末、15重量份粒径为0.5μm的碳氮化钛粉末、15重量份粒径为0.5μm碳化钨钛粉末,倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨43h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用；
3)将混合好的复合陶瓷材料粉末装入石墨模具，在真空环境中，采用均匀加压的热压烧结工艺；从20℃开始加热到1600℃，升温速度为50℃/min,烧结时压力预加至4Mpa；后续根据要求压力均匀加至32MPa；保温保压阶段温度为1600℃，压力为32MPa，保温保压时间为20min；；并且之后随炉冷却至室温即得所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料。
烧结后的复相陶瓷刀具材料的抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
实施例三：
1)用无水乙醇作为介质，分别对氧化铝、碳氮化钛和碳化钨钛原料粉末进行单独球磨，球磨过程在缸式球磨机上进行，其中，将氧化铝粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为1.0μm的粉末；碳氮化钛粉末球磨72h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为1.0μm的粉末；碳化钨钛粉末球磨240h,以减小粉末粒径至1.0μm，之后都经过真空干燥、过筛，封装以备用；
2)将60重量份粒径为1.0μm的氧化铝粉末、20重量份粒径为1.0μm的碳氮化钛粉末、20重量份粒径为1.0μm碳化钨钛粉末,倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨48h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用；
3)将混合好的复合陶瓷材料粉末装入石墨模具，在真空环境中，采用均匀加压的热压烧结工艺；从20℃开始加热到1650℃，升温速度为50℃/min,烧结时压力预加至4Mpa；后续根据要求压力均匀加至32MPa；，保温保压阶段温度为1650℃，压力为32MPa，保温保压时间为25min；并且之后随炉冷却至室温即得所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料。
烧结后的复相陶瓷刀具材料的抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
实施例四：
1)用无水乙醇作为介质，分别对氧化铝、碳氮化钛和碳化钨钛原料粉末进行单独球磨，球磨过程在缸式球磨机上进行，其中，将氧化铝粉末球磨79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为1.5μm的粉末；碳氮化钛粉末球磨79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为1.5μm的粉末；碳化钨钛粉末球磨230～250h,以减小粉末粒径至1.5μm，之后都经过真空干燥、过筛，封装以备用；
2)将70重量份粒径为1.5μm的氧化铝粉末、25重量份粒径为1.5μm的碳氮化钛粉末、25重量份粒径为1.5μm碳化钨钛粉末,倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨53h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用；
3)将混合好的复合陶瓷材料粉末装入石墨模具，在真空环境中，采用均匀加压的热压烧结工艺；从20℃开始加热到1700℃，升温速度为50℃/min,烧结时压力预加至4Mpa；后续根据要求压力均匀加至32MPa；保温保压阶段温度为1700℃，压力为32MPa，保温保压时间为30min；并且之后随炉冷却至室温即得所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料。
烧结后的复相陶瓷刀具材料的抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料，其特征在于，包括下列重量份的原料：
氧化铝 50～70；
碳氮化钛 15～25；
碳化钨钛 15～25。
2.如权利要求1所述的氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料，其特征在于：所述氧化铝为0.5～1.5μm的氧化铝粉末。
3.如权利要求1所述的氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料，其特征在于：所述碳氮化钛为0.5～1.5μm的碳氮化钛粉末。
4.如权利要求1所述的氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料，其特征在于：所述碳化钨钛为0.5～1.5μm的碳化钨钛粉末。
5.如权利要求1至4任一权利要求所述的氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料，其特征在于：所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
6.一种制备1至5任一权利要求所述的氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料的方法，其特征在于，包括步骤：
1)用无水乙醇作为介质，分别对氧化铝、碳氮化钛和碳化钨钛原料粉末进行单独球磨，球磨过程在缸式球磨机上进行，其中，将氧化铝粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5～1.5μm的粉末；碳氮化钛粉末球磨65～79h以打散较大的团聚颗粒，获得更为均匀的粒径为0.5～1.5μm的粉末；碳化钨钛粉末球磨230～250h,以减小粉末粒径至0.5～1.5μm，之后都经过真空干燥、过筛，封装以备用；
2)将50～70重量份粒径为0.5～1.5μm的氧化铝粉末、15～25重量份粒径为0.5～1.5μm的碳氮化钛粉末、15～25重量份粒径为0.5～1.5μm碳化钨钛粉末,倒入混料桶中，加入无水乙醇作为介质，在球磨机上球磨43～53h，以使各相材料混合更加均匀，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合陶瓷材料粉末料,封装以备用；
3)将混合好的复合陶瓷材料粉末装入石墨模具，在真空环境中，采用均匀加压的热压烧结工艺；从20℃开始加热到1600℃、1650℃、1700℃，升温速度为50℃/min,烧结时压力预加至4Mpa；后续根据要求压力均匀加至32MPa；保温保压阶段温度为1600℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；
并且之后随炉冷却至20℃，保温保压阶段温度为1650℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；保温保压阶段温度为1700℃，压力为32MPa，保温保压时间为20～30min；并且之后随炉冷却至室温即得所述氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料。
7.如权利要求6所述的制备氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料的方法，其特征在于：烧结后的复相陶瓷刀具材料的抗弯强度为745～945MPa，断裂韧度为6.1～6.57MPa·m1/2，硬度为17.3～21.21GPa。
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