CN111646801B - 一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于切削刀具技术领域，公开了一种用于刀具的碳化硼‑碳化钨复合陶瓷梯度材料及其制备方法和应用，陶瓷梯度材料的表层包含70～100vol％的B4 C和0～5vol％的Co；陶瓷梯度材料的芯部包含50～95vol％的WC和5～20vol％的Co；该材料的相对密度高于97％，表层的硬度为20～35GPa，表层的断裂韧性为3～10MPa·m1/2；芯部的硬度为14～22GPa，芯部的断裂韧性为8～20MPa·m1/2。本发明通过控制表面和芯部碳化硼、碳化钨和金属钴的含量，通过热压烧结制备了表硬心韧高性能碳化硼‑碳化钨复合陶瓷梯度材料。其具有很高的表面硬度、耐磨性和良好的抗崩刃断裂性。

Description

一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料及其制备 方法和应用
技术领域
本发明属复合梯度陶瓷技术领域，具体地，涉及一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前，用于高速切削加工的主要刀具包括硬质合金刀具、陶瓷刀具，金属陶瓷刀具、立方氮化硼和金刚石刀具。这些刀具通常以均匀组织的形式得到应用，因此其切削刃与基体的材料组成和显微结构一致。但是，由于切削刀具要求切削刃具有高硬度、高耐热性，又要求刀具基体具有高强度、高韧性、高热导率和良好的尺寸稳定性，因此均质刀具难以实现芯部与基体的最佳使用性能。为解决这些问题，研究者开发了功能梯度刀具。目前，梯度刀具通常为碳化钨基或碳氮化钛基，以金属为粘结剂的烧结材料，或者是氮化硅基或氧化铝基陶瓷材料。其中，碳化钨基或碳氮化钛基梯度刀具通常表层含有较少的金属相，芯部含有较多金属相，从而一定程度提高了芯部硬度与芯部韧性；而氮化硅基或氧化铝基梯度陶瓷刀具通常为表层晶粒尺寸较小从而达到硬化芯部的目的。但是这两种结构的表层与芯部的材料仍为同种材料，对表硬芯韧的提高程度有限。而复相材料的梯度结构刀具材料可以获得从芯部到表层的材料逐渐变化，从而最大化提高表硬芯韧的性能。这些复相材料的梯度结构需要各相材料之间的良好物理化学性能匹配，以达到最佳效果。目前在已经获得广泛应用的刀具材料中，这些材料组成的复相材料难以获得良好的匹配。因此，开发新型的复相材料体系是解决这些问题的方法之一。
另一方面，碳化硼(B4C)是一种新型非氧化物陶瓷材料，具有熔点高、硬度高、密度低、热稳定性好、抗化学侵蚀能力强和中子吸收能力强等特点，被广泛应用于能源、军事、核能以及工业制造加工领域。由于，这些优异的性能，碳化硼基材料在高性能切削刀具领域的应用具有很大的潜力，目前碳化硼基材料涂层已经在高速切削刀具领域有所应用，但是由于其韧性很低，强度较差，从而制备成整体碳化硼基刀具常在切削过程以崩刃、断裂等非正常磨损形式损坏。因此，整体碳化硼基刀具的应用收到了很大的限制。寻找一种性能与碳化硼的物理化学性能良好匹配的材料，与碳化硼形成复相材料是解决这种问题的方法之一。但是，这种均质的复相材料对切削性能具有很大的影响，通常会使得硬度降低，从而导致刀具寿命短。因此，将这些碳化硼基复相材料制备成梯度结构是获得高耐磨性、高韧性的刀具的方法之一。其中，最主要的问题是设计物理化学性能匹配良好的复相材料，其中碳化钨(WC)是匹配较好的一种。
碳化钨具有高熔点、高硬度、高弹性模量、高抗压强度等特性，并且具有较好的抗氧化、耐腐蚀能力；WC和钴(Co)复合的材料(硬质合金)具有优异的强度和韧性，在刀具领域具有广泛应用，但是其硬度与碳化硼相比较低，由于含量较高的钴存在从而高温性能较差，在难加工材料的高速切削领域有所不足。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺点和不足之处，本发明首要目的在于提供一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料。该碳化硼(B4C)-碳化钨(WC)复合梯度陶瓷兼具碳化硼陶瓷和碳化钨陶瓷的特点，并且成分和物理性能梯度改变，具有很高表面硬度，同时整体韧性又很好。
本发明的另一目的在于提供上述用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将碳化硼和碳化钨按体积比为(70～100)：(0～30)混料，经超声分散、干燥后，得到B4C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC1；将碳化硼和碳化钨按体积比为(0～30)：(70～100)混料，经超声分散、干燥后，得到B4C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC2；
S2.陶瓷梯度材料表层以BCWC1为原料，以Co粉为粘结剂，按照BCWC1：Co的体积比为(95～100)：(0～5)混料，经干燥后得到混合粉体，标记为BCWC1-Co；
S3.陶瓷梯度材料芯部以BCWC2为原料，以Co粉为粘结剂，按照BCWC2：Co的体积比为(80～95)：(5～20)混料，经干燥后得到混合粉体，标记为BCWC2-Co；
S4.陶瓷梯度材料表层与芯部之间的过渡层以BCWC1-Co和BCWC2-Co为原料，每一过渡层中BCWC1-Co含量从表层到芯部呈线性递减，而BCWC2-Co含量从表层到芯部呈线性递增；各过渡层经混料、干燥后，得到各过渡层的混合粉体；
S5.将混合粉体BCWC1-Co作为陶瓷梯度材料的表层成分，混合粉体BCWC2-Co作为陶瓷梯度材料的芯部成分，按照BCWC1-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC2-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC1-Co的顺序装入热压炉模具，在氩气气氛下，压力为1atm，升温至1600～1900℃保温，轴向加压为1～30MPa，通过热压烧结，制得碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料。
优选地，步骤S1中所述的碳化硼的颗粒尺寸为0.5～2微米，碳化钨的颗粒尺寸为0.2～5微米，步骤S2中所述的Co粉的颗粒尺寸为1～10微米。
优选地，步骤S1-S4中所述混料的方法为辊式球磨混合，以乙醇为溶剂，以YG6硬质合金球为球磨介质，转速为100～300r/min，所述混料的时间为4～24h。
优选地，步骤S4中所述的过渡层的层数为0～7层。
优选地，步骤S5中所述从表层到芯部，相邻层之间的厚度比值为0.2～1。
优选地，步骤S5中所述陶瓷梯度材料的厚度为3～50mm，陶瓷梯度材料的总层数为3～9层。
优选地，步骤S5中所述升温的速率为5～40℃/min，所述保温的时间为0.5～4h。
一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料，由所述方法制备得到。所述陶瓷梯度材料的表层包含70～100vol％的B4C和0～5vol％的Co；所述陶瓷梯度材料的芯部包含50～95vol％的WC和5～20vol％的Co。
进一步地，所述的复合陶瓷梯度材料的相对密度高于97％，表层的硬度为20～35GPa，表层的断裂韧性为3～10MPa·m1/2；芯部的硬度为14～22GPa，芯部的断裂韧性为8～20MPa·m1/2一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料，由所述制备方法制备得到。
碳化钨与碳化硼之间的化学稳定性良好，两者热膨胀系数接近，而碳化钨与大部分国度金属的润湿性良好，因此可以通过设计芯部富碳化钨和金属相，而表层富含碳化硼的功能梯度材料，获得优异的使用性能。与现有用于刀具的材料相比，这种结构的刀具芯部硬度更大，芯部强度、韧性保持不变甚至更高，从而可以获得更长的刀具寿命和更优异的切削稳定性。
本发明以碳化硼-碳化钨为复合材料主体，以Co(钴)为粘结剂，综合利用异质材料间的质量传输和物质扩散，通过直接烧结一步制备梯度功能的刀具材料。这种梯度材料在层间具有化学扩散，缓解了梯度应力，增强了层间结合力，可以有效避免应力下的层间剥离断裂。通过叠层压坯烧结是获得这种结构的最简单经济的方法，在碳化硼-碳化钨的复合梯度陶瓷材料中，由于金属相的存在，层与层之间可以实现金属粘结相的相互扩散，从而形成层与层之间的连续梯度层，有效缓和了层间应力。碳化硼-碳化钨的新型复合梯度陶瓷材料有望进一步地提高连续切削时的刀具寿命，在断续切削时具有更强的抗崩刀性能，从而能高速连续、断续切削难切削材料，如颗粒、纤维增强金属、塑料复合材料，高强石墨，碳基复合材料，高硬金属等，较大地提高生产效率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度能兼具WC基硬质合金和B4C陶瓷的特点，具有很高的表面硬度，而整体也有良好的韧性，相对于硬质合金材料，在切削时具有更高的耐磨性，同时具有良好的抗崩刃断裂性，能加工更广泛的材料。
2.本发明通过与WC陶瓷材料的复合，与非梯度的碳化硼材料相比，改善了碳化硼陶瓷材料的热压烧结工艺性，打破了常规烧结工艺制备的碳化硼陶瓷中普遍存在弯曲强度和断裂韧性较低的局限。
3.本发明的原料配方提高了材料层与层之间的界面结合强度，与普通的用于刀具的复合陶瓷相比，该叠层陶瓷材料的抗冲击能力比普通均质陶瓷显著增强，使用寿命显著提高。
附图说明
图1为本发明的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
本发明实施例中所述的碳化硼的颗粒尺寸为0.5～2微米，碳化钨的颗粒尺寸为0.2～5微米，Co粉的颗粒尺寸为1～10微米。
实施例1
1.制备：(1)将碳化硼(B4C)粉和碳化钨(WC)粉按照体积分数比为90％：10％进行配料，以乙醇为溶剂，YG6(WC-6wt％Co)硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC1；将碳化硼(B4C)粉和碳化钨(WC)粉按照体积分数比为20％：80％进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC2；
(2)陶瓷梯度材料表层以BCWC1为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC1：Co的体积分数比为98％：3％，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC1-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(3)陶瓷梯度材料芯部以BCWC2为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC2：Co的体积分数比为90％：10％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC2-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(4)陶瓷梯度材料表层与芯部之间设置三层过渡层，以BCWC1-Co和BCWC2-Co为原料，从表层到芯部每一过渡层的BCWC1-Co体积分数按75％、50％、25％呈线性递减；各过渡层经混料、干燥后，得到各过渡层的混合粉体，混料步骤与步骤(1)相同。
(5)将混合粉体BCWC1-Co作为陶瓷刀具材料表层成分，混合粉体BCWC2-Co作为陶瓷刀具材料芯部成分，控制总厚度为8.5mm，从表层到芯部的层厚比值为0.6，按照BCWC1-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC2-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC1-Co的顺序装入热压炉模具，以20℃/min的升温速率将温度升至1800℃，并保温1h，保温过程轴向加压为20MPa，整个烧结过程Ar压力为1atm。通过热压烧结，获得表硬心韧的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料。
2.性能测试：采用上述方法制备得到的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料的相对密度为99％，表层的硬度为25GPa，表层的断裂韧性为6MPa·m1/2；芯部的硬度为17GPa，芯部的断裂韧性为14MPa·m1/2。图1为本发明的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的结构示意图。如图1所示，在上下表层富含碳化硼，这一层的厚度较小，具有很高的硬度，从表层到芯部，碳化钨和金属相含量增加，硬度逐渐降低，韧性逐渐增加；层与层之间由于扩散作用，不出现明显的界面，从而整体的应力很小。
实施例2
1.制备：(1)将碳化硼(B4C)粉和碳化钨(WC)粉按照体积分数比为100：0的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC1；将碳化硼(B4 C)粉和碳化钨(WC)粉按照体积分数比为30％：70％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC2；
(2)陶瓷梯度材料表层以BCWC1为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC1：Co的体积分数比为100％：0％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC1-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(3)陶瓷梯度材料芯部以BCWC2为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC2：Co的体积分数比为95％：5％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC2-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(4)陶瓷梯度材料表层与芯部之间设置三层过度层，以BCWC1-Co和BCWC2-Co为原料，每一过渡层的BCWC1-Co含量占比按75％、50％、25％从表层到芯部呈线性递减；各过渡层经混料、干燥后，得到各过渡层的混合粉体，混料步骤与步骤(1)相同。
(5)将混合粉体BCWC1-Co作为陶瓷刀具材料表层成分，混合粉体BCWC2-Co作为陶瓷刀具材料芯部成分，控制总厚度为8.5mm，从表层到芯部的层厚比值为0.6，按照BCWC1-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC2-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC1-Co的顺序装入热压炉模具，以50℃/min的升温速率将温度升至1900℃，并保温0.5h，保温过程轴向加压为30MPa，整个烧结过程Ar压力为1atm。通过热压烧结，获得表硬心韧的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料。
2.性能测试：采用上述方法制备得到的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的相对密度为98％，表层的硬度为34GPa，表层的断裂韧性为4MPa·m1/2；芯部的硬度为22GPa，芯部的断裂韧性为8MPa·m1/2。
实施例3
1.制备：(1)将碳化硼(B4C)粉和碳化钨(WC)粉按照体积分数比为70％：30％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC1；将碳化硼(B4 C)粉和碳化钨(WC)粉按照体积分数比为5％：95％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC2；
(2)梯度刀具材料表层以BCWC1为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC1：Co的体积分数比为95％：5％的配比，经混料、干燥后，得到混合粉体，标记为BCWC1-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(3)陶瓷梯度材料芯部以BCWC2为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC2：Co的体积分数比为80％：20％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC2-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(4)陶瓷梯度材料表层与芯部之间设置三层过度层，以BCWC1-Co和BCWC2-Co为原料，每一层过渡层保证BCWC1-Co含量占比按75％、50％、25％从表层到芯部呈线性递减；各过渡层经混料、干燥后，得到各过渡层的混合粉体，混料步骤与步骤(1)相同。
(5)将混合粉体BCWC1-Co作为陶瓷刀具材料表层成分，混合粉体BCWC2-Co作为陶瓷刀具材料芯部成分，控制总厚度为8.5mm，从表层到芯部的层厚比值为0.6，按照BCWC1-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC2-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC1-Co的顺序装入热压炉模具，以50℃/min的升温速率将温度升至1450℃，并保温2h，保温过程轴向加压为20MPa，整个烧结过程Ar压力为1atm。通过热压烧结，获得表硬心韧的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料。
2.性能测试：采用上述方法制备得到的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料的相对密度为99％，表层的硬度为21GPa，表层的断裂韧性为10MPa·m1/2；芯部的硬度为14GPa，芯部的断裂韧性为19MPa·m1/2。
实施例4
1.制备：(1)将碳化硼(B4C)粉和碳化钨(WC)微米级粉按照体积分数比为85％：15％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC1；将碳化硼(B4 C)粉和碳化钨(WC)微米级粉按照体积分数比为15％：85％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC2；
(2)陶瓷梯度材料表层以BCWC1为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC1：Co的体积分数比为97％：3％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC1-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(3)陶瓷梯度材料芯部以BCWC2为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC2：Co的体积分数比为90％：10％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC2-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(4)陶瓷梯度材料表层与芯部之间设置三层过度层，以BCWC1-Co和BCWC2-Co为原料，每一层过渡层保证BCWC1-Co含量占比按75％、50％、25％从表层到芯部呈线性递减；各过渡层经混料、干燥后，得到各过渡层的混合粉体，混料步骤与步骤(1)相同。
(5)将混合粉体BCWC1-Co作为陶瓷刀具材料表层成分，混合粉体BCWC2-Co作为陶瓷材料芯部成分，控制总厚度为8.5mm，从表层到芯部的层厚比值为0.6，按照BCWC1-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC2-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC1-Co的顺序装入热压炉模具，以50℃/min的升温速率将温度升至1500℃，并保温2h，保温过程轴向加压为10MPa，整个烧结过程Ar压力为1atm。通过热压烧结，获得表硬心韧的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料。
2.性能测试：采用上述方法制备得到的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料，相对密度为98％，表层的硬度为25GPa，表层的断裂韧性为7MPa·m1/2；芯部的硬度为17GPa，芯部的断裂韧性为15MPa·m1/2。
实施例5
1.制备：(1)将碳化硼(B4C)粉和碳化钨(WC)微米级粉按照体积分数比为80％：20％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC1；将碳化硼(B4 C)粉和碳化钨(WC)微米级粉按照体积分数比为10％：90％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC2；
(2)梯度刀具材料表层以BCWC1为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC1：Co的体积分数比为95％：5％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC1-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(3)梯度刀具材料芯部以BCWC2为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC2：Co的体积分数比为85％：15％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC2-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(4)梯度刀具材料表层与芯部之间设置两层过度层，以BCWC1-Co和BCWC2-Co为原料，每一层过渡层保证BCWC1-Co含量占比按60％、30％从表层到芯部呈线性递减；各过渡层经混料、干燥后，得到各过渡层的混合粉体，混料步骤与步骤(1)相同。
(5)将混合粉体BCWC1-Co作为陶瓷刀具材料表层成分，混合粉体BCWC2-Co作为陶瓷刀具材料芯部成分，控制总厚度为8.5mm，从表层到芯部的层厚比值为0.6，按照BCWC1-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC2-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC1-Co的顺序装入热压炉模具，以50℃/min的升温速率将温度升至15500℃，并保温2h，保温过程轴向加压为10MPa，整个烧结过程Ar压力为1atm。通过热压烧结，获得表硬心韧的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料。
3.性能测试：采用上述方法制备得到的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度刀具材料的相对密度高为98％，表层的硬度为28GPa，表层的断裂韧性为7MPa·m1/2；芯部的硬度为16GPa，芯部的断裂韧性为12MPa·m1/2。
实施例6
1.制备：(1)将碳化硼(B4C)粉和碳化钨(WC)微米级粉按照体积分数比为90％：10％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC1；将碳化硼(B4 C)粉和碳化钨(WC)微米级粉按照体积分数比为20％：80％的配比进行配料，以乙醇为溶剂，YG6硬质合金球为球磨介质在辊式球磨机以150r/min混合8h，经混料、超声分散、干燥后，得到B4 C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC2；
(2)陶瓷梯度材料表层以BCWC1为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC1：Co的体积分数比为98％：2％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC1-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(3)陶瓷梯度材料芯部以BCWC2为原料，以Co(钴)粉为粘结剂；按照BCWC2：Co的体积分数比为90％：10％的配比，经混料、干燥后，得到的混合粉体，标记为BCWC2-Co，混料步骤与步骤(1)相同；
(4)陶瓷梯度材料表层与芯部之间设置两层过度层，以BCWC1-Co和BCWC2-Co为原料，每一层过渡层保证BCWC1-Co含量占比按60％、30％从表层到芯部呈线性递减；各过渡层经混料、干燥后，得到各过渡层的混合粉体，混料步骤与步骤(1)相同。
(5)将混合粉体BCWC1-Co作为陶瓷刀具材料表层成分，混合粉体BCWC2-Co作为陶瓷梯度材料芯部成分，控制总厚度为8.5mm，从表层到芯部的层厚比值为0.6，按照BCWC1-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC2-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC1-Co的顺序装入热压炉模具，以50℃/min的升温速率将温度升至1700℃，并保温3h，保温过程轴向加压为20MPa，整个烧结过程Ar压力为1atm。通过热压烧结，获得表硬心韧的高性能碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料。
2.性能测试：采用上述方法制备得到的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的相对密度为98％，表层的硬度为30GPa，表层的断裂韧性为5MPa·m1/2；芯部的硬度为18GPa，芯部的断裂韧性为11MPa·m1/2。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 将碳化硼和碳化钨按体积比为（70~100）：（0~30）混料，经超声分散、干燥后，得到B4C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC1；将碳化硼和碳化钨按体积比为（0~30）：（70~100）混料，经超声分散、干燥后，得到B4C-WC微米级复合粉体，标记为BCWC2；所述的碳化硼的颗粒尺寸为0.5~2微米，碳化钨的颗粒尺寸为0.2~5微米；
S2. 陶瓷梯度材料表层以BCWC1为原料，以Co粉为粘结剂，按照BCWC1：Co的体积比为（95~100）：（0~5）混料，经干燥后得到混合粉体，标记为BCWC1-Co；所述的Co粉的颗粒尺寸为1~10微米；
S3. 陶瓷梯度材料芯部以BCWC2为原料，以Co粉为粘结剂，按照BCWC2：Co的体积比为（80~95）：（5~20）混料，经干燥后得到混合粉体，标记为BCWC2-Co；
S4. 陶瓷梯度材料表层与芯部之间的过渡层以BCWC1-Co和BCWC2-Co为原料，每一过渡层中BCWC1-Co含量从表层到芯部呈线性递减，而BCWC2-Co含量从表层到芯部呈线性递增；各过渡层经混料、干燥后，得到各过渡层的混合粉体；所述的过渡层的层数为0~7层；
S5. 将混合粉体BCWC1-Co作为陶瓷梯度材料的表层成分，混合粉体BCWC2-Co作为陶瓷梯度材料的芯部成分，按照BCWC1-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC2-Co、各过渡层的混合粉体、BCWC1-Co的顺序装入热压炉模具，在氩气气氛下，压力为1atm，升温至1600~1900℃保温，轴向加压为1~30MPa，通过热压烧结，制得碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料，所述从表层到芯部，相邻层之间的厚度比值为0.2~1；所述陶瓷梯度材料的厚度为3~50mm，陶瓷梯度材料的总层数为3~9层。
2.根据权利要求1所述的用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤S1-S4中所述混料的方法为辊式球磨混合，以乙醇为溶剂，以YG6硬质合金球为球磨介质，转速为100~300r/min，所述混料的时间为4~24h。
3.根据权利要求1所述的用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述升温的速率为5~40℃/min，所述保温的时间为0.5~4h。
4.一种用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料，其特征在于，由权利要求1-3任一项所述方法制备得到。
5.根据权利要求4所述的用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料，其特征在于，所述陶瓷梯度材料的表层包含70~100vol%的B4C和0~5 vol %的Co；所述陶瓷梯度材料的芯部包含50~95 vol %的WC和5~20 vol %的Co。
6.根据权利要求4所述的用于刀具的碳化硼-碳化钨复合陶瓷梯度材料，其特征在于，所述的复合陶瓷梯度材料的相对密度高于97%，表层的硬度为20~35GPa，表层的断裂韧性为3~10MPa·m1/2；芯部的硬度为14~22GPa，芯部的断裂韧性为8~20MPa·m1/2。
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