CN110834098B - 一种梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料及其烧结工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷材料技术领域，涉及一种具有梯度结构的纳米复合金属陶瓷刀具材料及其烧结工艺。该刀具材料具有五层对称梯度层次结构，相对于中心层对称的层中组分含量相同，相对中心层对称的层的厚度也相同，梯度层厚度按第一层厚度/第二层厚度=第二层厚度/第三层厚度=0.2确定。其制备方法包括步骤:(1)按每层各组分的含量配料；(2)对各层中纳米颗粒进行分散；（3）将各层中其它材料与分散的纳米材料混料；(4)采用分层铺填粉末形成梯度结构，在真空环境中采用二阶段烧结工艺烧结。本烧结工艺利用了颗粒界面迁移动力和扩散动力的差异，使材料致密度提高，而且颗粒没有异常长大。烧结样品中Ni，Mo的梯度分布，使得刀具材料的力学性能呈梯度阶梯变化，保证了梯度材料表层高硬度，高抗氧化性，内层韧性、强度较好的要求。

Description

一种梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料及其烧结工艺
技术领域
本发明属于复合陶瓷刀具材料技术领域，尤其涉及一种梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料及其烧结工艺。
背景技术
陶瓷刀具材料具有优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和切削难加工材料方面具有硬质合金刀具无法比拟的优势，但是其强度、断裂韧度较低，制约了陶瓷刀具的使用。目前国内外研究采用多种增韧补强机制来提高陶瓷刀具韧性和强度的，但效果不是十分理想；金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，但由于金属相的熔点低，其材料高温力学性能差。而且高速刀具，尤其是断续切削刀具各部位受到的载荷不同，需要的主要力学性能要求也不同。梯度功能材料(Functional Graded Materials，简称FGM) 能实现材料性能的 “裁剪、拼接”，在构件中引入成分、显微组织与性能的梯度变化，使其满足该构件在不同位置上不同的性能要求，最终使该构件获得最佳综合性能。梯度功能金属陶瓷材料则为刀具材料综合力学性能的改善开辟了广阔的前景。故FGM能满足断续硬切削加工所需的表层硬、中间韧，而且能缓解热应力和冲击应力的刀具要求。
金属陶瓷刀具材料的制备过程涉及复杂的热力学和动力学现象，众多参数如：化学成分、烧结温度、烧结时间和烧结气氛等都对其显微结构和性能有显著的影响。迄今为止，国内外学者对不含金属相的陶瓷和金属陶瓷的烧结过程做了大量研究，而两者合适的最高烧结温度一般相差100℃以上。而且高温下，金属相容易扩散，呈现均质化。同时经检索发现：目前考虑两种材料烧结工艺的差异，制备各层金属含量不同的梯度材料还尚未专门研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，结合梯度功能材料高的抗热震性，提供一种适合硬切削、表层为含少量纳米金属相、里层为含微米金属相的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料，同时还提供一种生产成本低、工艺过程简单，且能抑制颗粒过度生长和金属相的扩散，且致密的刀具材料的烧结工艺。旨在保持梯度金属陶瓷刀具材料较高硬度、抗氧化性等优点，改善其综合力学性能，特别是抗弯强度和梯度材料内层的断裂韧性。
本发明是通过以下方式实现的
本发明的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料具有对称型梯度结构，层数为5层，相对中心层对称的层中组分含量相同，且厚度对称分布，其中各层的Al2O3是纳米Al2O3和微米Al2O3混合，纳米 Al2O3的体积含量固定为11%。五层梯度层厚度按第一层厚度/第二层厚度= 第二层厚度/第三层厚度 = 0.2确定；所述第一、五梯度层含纳米金属相，其余梯度层含微米金属相。第一层和第五层的组分按体积百分比均为54.25%的Al2O3，45%的微米(W,Ti)C，0.5%的微米Ni，0.25%的微米Mo；第二层和第四层的组分按体积百分比均为47.5%的Al2O3，47%的微米(W,Ti)C，2.5%的微米TiN，2%的微米Ni， 1%的微米Mo；第三层的组分按体积百分比为36%~25%的Al2O3，50%~53%的微米(W,Ti)C，6.5%~10%的微米TiN，5%~8%的微米Ni，2.5%~4%的微米Mo。
上述梯度纳米复合陶瓷刀具材料的准备及其烧结工艺包括以下步骤： (1) 配料：按下面给出的每层各组分体积比配料，第一层和第五层的组分按体积百分比均为54.25%的Al2O3，45%的微米(W,Ti)C，0.5%的微米Ni，0.25%的微米Mo；第二层和第四层的组分按体积百分比均为47.5%的Al2O3，47%的微米(W,Ti)C，2.5%的微米TiN，2%的微米Ni，1%的微米Mo；第三层的组分按体积百分比为36%~25%的Al2O3，50%~53%的微米(W,Ti)C，6.5%~10%的微米TiN，5%~8%的微米Ni，2.5%~4%的微米Mo。微米MgO和微米NiO各占每层粉末总质量的0.5%。
(2) 各层中纳米颗粒的分散、混料：纳米Al2O3的分散以无水乙醇为分散介质，加入相对纳米Al2O3质量为1%的纳米Al2O3的专用分散剂，配制成纳米材料的悬浮液； 将同一层中所取的微米粉末颗粒与该层分散好的纳米材料的悬浮液混合，在行星式球磨机上球磨48小时，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合金属陶瓷材料粉末料。
(3) 烧结：采用粉末分层铺填法装料，采用二阶段热压烧结工艺，在真空环境中将复合粉料烧结，在从室温加热到1200℃时，升温速度为20℃/min，压力预加到5MPa；再升温到最高烧结温度，升温速率不变，压力平稳均匀加至30MPa；保温3min，然后降低温度到1450℃，降温速率为50℃/min，继续保温保压60min，压力保持为30MPa，之后随炉冷却。
上述烧结工艺中，第一阶段最高烧结温度控制1600℃~1725℃，最高烧结温度优选1700℃。所述最高烧结温度是指烧结升温后所达到的第一阶段维持的温度。
上述烧结工艺中，在第二烧结阶段烧结温度控制在1450℃~1550℃之间，陶瓷颗粒界面有一定的扩散，但没有迁移，颗粒不长大。金属处于液相，保证液相烧结的进行。第二阶段保温时间在30~90min之间，优选60min。让材料致密化和颗粒生长以及金属流失达到较好的平衡，使梯度复合金属陶瓷材料获得最优的力学性能。
与传统烧结技术相比，上述本发明的烧结工艺中，烧结过程分两阶段进行，第一阶段升温到较高温度，短暂保温，使材料获得一定烧结驱动力；然后迅速降温至较低的烧结温度，保温较长时间，促使材料致密，避免颗粒过度生长，获得均匀致密细颗粒的复合材料。
本发明的有益效果在于：
采用二阶段热压烧结工艺，利用烧结试样致密化速率与晶粒长大速率的差异，抑制晶粒的过度生长，达到细化晶粒的作用。在较低的温度下保温，避免金属在高温高压下的大范围扩散，保证了设计的表层金属含量低，内层金属含量高的梯度结构。
通过以上步骤，可制得粒度分布均匀、颗粒几乎保持初始粒径，抗弯强度高、断裂韧性好、表层硬度高的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料。
附图说明
图1是本发明的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料的结构示意图。
图2是本发明的实施例二梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料的成分分布图。
具体实施方式
如图所示，本发明的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料具有对称型梯度结构，层数为5层，相对中心层对称的层中组分含量相同，且厚度对称分布，其中各层的Al2O3是纳米Al2O3和微米Al2O3混合，纳米Al2O3的体积含量固定为11%。五层梯度层厚度按第一层厚度/第二层厚度 = 第二层厚度/第三层厚度 = 0.2确定；所述第一、五 梯度层含纳米金属相，其余梯度层含微米金属相。第一层和第五层的组分按体积百分比均为54.25%的Al2O3，45%的微米(W,Ti)C，0.5%的微米Ni，0.25%的微米Mo；第二层和第四层的组分按体积百分比均为47.5%的Al2O3，47%的微米(W,Ti)C，2.5%的微米TiN，2%的微米Ni，1%的微米Mo；第三层的组分按体积百分比为36%~25% 的Al2O3，50%~53%的微米(W,Ti)C，6.5%~10%的微米TiN，5%~8%的微米Ni，2.5%~4%的微米Mo。微米MgO和微米NiO各占每层粉末总质量的0.5%。
以下通过实施例说明本发明梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法。
实施例一
本实施例梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料的制备过程如下：
按以下给出的每层各组分体积比配料，第一层和第五层的组分按体积百分比均为54.25%的Al2O3，45%的微米(W,Ti)C，0.5%的纳米Ni，0.25%的纳米Mo；第二层和第四层的组分按体积百分比均为47.5%的Al2O3，47%的微米(W,Ti)C，2.5%的微米TiN，2%的微米Ni，1%的微米Mo；第三层的组分按体积百分比为36%的Al2O3，50%的微米(W,Ti)C，6.5%的微米TiN，5%的微米Ni，2.5%的微米Mo。微米MgO和微米NiO各占每层粉末总质量的 0.5%。
各层中纳米颗粒的分散、混料：纳米Al2O3的分散以无水乙醇为分散介质，加入相对纳米Al2O3质量为0.5wt.% 的纳米Al2O3的专用分散剂，配制成纳米材料的悬浮液；将同一层中所取的微米粉末颗粒与该层分散好的纳米材料的悬浮液混合，在行星式球磨机上球磨48小时，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合金属陶瓷粉料；
装料与烧结：采用粉末分层铺填法装料，采用二阶段热压烧结工艺，在真空环境中将复合粉末烧结，在从室温加热到1200℃时，升温速度为20℃/min，压力加到5MPa；从1200℃到1700℃时，升温速率不变，压力平稳均匀加至30MPa，保温3min，使材料获得一定的烧结驱动力；然后降低温度到1450℃，降温速率为50℃/min，继续保温保压60min，压力保持为30MPa，之后随炉冷却。
通过上述过程制备的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料的力学性能为：抗弯强度969-1037MPa、表层断裂韧性10.05-11.12MPa·m1/2、中间层断裂韧性10.20-12.79MPa·m1 /2 、表层维氏硬度24.07-25.66GPa。
实施例二
第一层和第五层的组分按体积百分比均为54.25%的Al2O3，45%的微米(W,Ti)C，0.5%的纳米Ni，0.25%的纳米Mo；第二层和第四层的组分按体积百分比均为47.5%的Al2O3，47%的微米(W,Ti)C，2.5%的微米TiN，2%的微米Ni，1%的微米Mo；第三层的组分按体积百分比为32.5%的Al2O3，48%的微米(W,Ti)C，4%的微米TiN，3%的微米Ni，1.5%的微米Mo，微米MgO和微米NiO各占每层粉末总质量的 0.5%。其余过程与实施例一相同。
通过上述过程制备的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料的力学性能为：抗弯强度902-1005MPa、表层断裂韧性11.35-13.49MPa·m1/2、中间层断裂韧性9.24-9.96MPa·m1/2 、表层维氏硬度24.41-25.55GPa。
实施例三
第一层和第五层的组分按体积百分比均为54.25%的Al2O3，45%的微米(W,Ti)C，0.5%的纳米Ni，0.25%的纳米Mo；第二层和第四层的组分按体积百分比均为47.5%的Al2O3，47%的微米(W,Ti)C，2.5%的微米TiN，2%的微米Ni，1%的微米Mo；第三层的组分按体积百分比为25%的Al2O3，53%的微米(W,Ti)C，10%的微米TiN，8%的微米Ni，4%的微米Mo。微米MgO和微米NiO各占每层粉末总质量的0.5%。其余过程与实施例一相同。
通过上述过程制备的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料的力学性能为：抗弯强度952-1175MPa、表层断裂韧性9.44-11.76MPa·m1/2、中间层断裂韧性11.59-14.94MPa·m1 /2 、表层维氏硬度24.03-25.23GPa。
对比产品：通过常规的烧结工艺（1700℃/10min，压力保持为30MPa真空烧结）制备得到的梯度纳米复合金属陶瓷刀具材料的力学性能为：抗弯强度906-1075MPa、表层断裂韧性6.69-6.99MPa·m1/2、中间层断裂韧性11.58-12.44MPa·m1/2 、表层维氏硬度23.82-25.06GPa。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有对称型梯度结构的纳米复合金属陶瓷刀具材料，其特征是：层数为5层，相对中心层对称的层中组分含量相同，且厚度对称分布，其中各层的Al2O3是纳米Al2O3和微米Al2O3混合，纳米 Al2O3的体积含量占各层混合粉料总体积的11%，五层梯度层厚度按第一层厚度/第二层厚度=第二层厚度/第三层厚度= 0. 2确定；所述第一、五梯度层含纳米金属相，其余梯度层含微米金属相；第一层和第五层的组分按体积百分比均为54.25%的Al2O3，45%的微米(W,Ti)C，0.5%的纳米Ni，0.25%的纳米Mo；第二层和第四层的组分按体积百分比均为47.5%的Al2O3，47%的微米(W,Ti)C，2.5%的微米TiN，2%的微米Ni，1%的微米Mo；第三层的组分按体积百分比为32.5%~14%的Al2O3，48%~53%的微米(W,Ti)C，4%~10%的微米TiN，3%~8%的微米Ni，1.5%~4%的微米Mo，微米MgO和微米NiO各占每层粉末总质量的0.5%。
2.根据权利要求1所述的纳米复合金属陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
（1）配料：第一层和第五层的组分按体积百分比均为54.25%的Al2O3，45%的微米(W,Ti)C，0.5%的纳米Ni，0.25%的纳米Mo；第二层和第四层的组分按体积百分比均为47.5%的Al2O3，47%的微米(W,Ti)C，2.5%的微米TiN，2%的微米Ni，1%的微米Mo；第三层的组分按体积百分比为32.5%~14%的Al2O3，48%~53%的微米(W,Ti)C，4%~10%的微米TiN，3%~8%的微米Ni，1.5%~4%的微米Mo，微米MgO和微米NiO各占每层粉末总质量的0.5%；
（2）各层中纳米颗粒的分散、混料：纳米Al2O3的分散以无水乙醇为分散介质，加入相对纳米Al2O3质量为1%的纳米Al2O3的分散剂，配制成纳米材料的悬浮液；将同一层中除纳米Al2O3以外的其它粉末颗粒与该层分散好的纳米材料的悬浮液混合，在行星式球磨机上球磨48小时，再经过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合金属陶瓷材料粉末；
（3）装料与烧结：采用粉末分层铺填法装料，采用二阶段热压烧结工艺，在真空环境中将复合粉末料烧结，在从室温加热到1200℃时，升温速度为20℃/min，压力加到5MPa；从1200℃到1700℃时，升温速率不变，压力平稳均匀加至30MPa，保温3min，使材料获得一定的烧结驱动力；然后降低温度到1450℃，降温速度为50℃ /min，继续保温保压60min，压力保持为30MPa，之后随炉冷却。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述(W,Ti)C平均粒度为不大于2微米，各相分布均匀。
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