CN115074589B - 一种热敏/结构材料复合叠层测温刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热敏/结构材料复合叠层测温刀具及其制备方法，属于切削刀具制备技术领域。所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具为由结构材料和热敏材料组成的叠层结构，所述热敏材料为热敏陶瓷xY2O3‑yLaCrO3，其中0.4≤x≤0.7，x+y＝1，x和y均为摩尔数；所述结构材料为金属陶瓷。所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具集切削功能和测温功能于一体，可在切削的同时实现切削温度测量。本发明的热敏/结构材料复合叠层测温刀具，热敏陶瓷与结构陶瓷界面结合良好，保证了切削性能(力学性能)和测温性能的完美结合，使刀具的性能更加稳定。

Description

一种热敏/结构材料复合叠层测温刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于切削刀具制备技术领域，具体涉及一种热敏/结构材料复合叠层测温刀具及其制备方法。
背景技术
智能切削技术是智能化制造的基础性技术，也是实现智能化制造的关键技术。智能切削过程中的信息感知，特别是切削过程中的力-热-变形的在线感知是实现复杂零件高质量制造的关键。
金属切削过程中产生大量的热，对零件加工质量和刀具寿命产生重要的影响。高温合金和钛合金等难加工材料在切削区产生的局部高温使工件产生亚表面损伤和尺寸偏差。切削温度对薄壁件和以惯性器件、光学曲面构件为代表的精密/超精密加工精度的影响更为显著。由热变形引起的加工误差已占到加工误差总量的40％～70％。可见，切削过程中切削区温度场的实时准确获取对在线调整加工参数、预测刀具磨损和保证加工质量具有重要的指导作用。
刀具作为切削加工的直接参与者，除了具备良好的切削性能还应具备测温功能。目前测温刀具主要有以下几种：在刀具上嵌入热电偶，利用热电偶测温；在刀具前刀面集成微型阵列传感器，利用刀具本身作为热电偶一极；在刀具表面嵌入微尺度薄膜热电偶阵列对切削温度进行测量；利用直流脉冲磁控溅射技术将NiCr-NiSi薄膜热电偶嵌入刀具后刀面刀尖位置，实现测温功能；利用激光在刀具表面产生微织构，将薄膜热电偶嵌入微织构中实现测温。
综上可知，现有测温刀具多是将热电偶或薄膜传感器嵌入或粘贴在刀具切削刃附近，实现对切削温度的监测。但是，这些测温刀具存在多方面不足：热电偶传感器测量瞬态温度响应速度不足；将测温传感器设置在切削区易产生磨损及破坏，影响测量精度；刀片进行特殊处理，制作过程复杂，可以满足实验室研究需求，但实现工程应用存在较大难度。因此，开发一种响应速度快、测量精度高、制造工艺简单高效，可实现批量生产的测温刀具是本领域技术人员亟待解决的难题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种热敏/结构材料复合叠层测温刀具及其制备方法。本发明通过原料及制备方法的调整制备得到的热敏/结构材料复合叠层测温刀具，测温灵敏度高；并且本发明的制造工艺简单高效，可以实现批量生产。
为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
本发明的技术方案之一，一种热敏/结构材料复合叠层测温刀具，所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具为由结构材料和热敏材料组成的叠层结构，所述热敏材料为热敏陶瓷xY2O3-yLaCrO3，其中0.4≤x≤0.7，x+y＝1，x和y均为摩尔数。
进一步地，所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具是由一层结构材料层和一层热敏陶瓷层组成的两层叠层结构，或是由中间为热敏陶瓷层两侧为结构材料层组成的三层叠层结构。
进一步地，所述热敏陶瓷层的厚度为0.5～1.5mm。
进一步地，所述热敏/结构复合叠层测温刀具的整体厚度为6mm。
热敏陶瓷层的厚度限制在0.5～1.5mm是根据双层结构和三层结构的阻温特性确定的，该复合叠层能够测温必须满足复合叠层具有NTC特性(随着温度的升高电阻率下降)，即电阻率的对数与温度的倒数呈线性关系，且该线的斜率越大越好(斜率代表测量灵敏度B，B值越大，测量灵敏度越高)。根据两层和三层刀具的阻温特性，确定热敏陶瓷层的厚度为0.5～1.5mm，具体的确定过程在效果验证部分详细描述。
刀具的整体厚度一般在6mm左右，确定了热敏陶瓷层的厚度后，剩下的就是金属陶瓷层的厚度，金属陶瓷层不能太薄，薄的话会导致刀具刚性差、抵抗冲击的能力下降，刀具寿命短。金属陶瓷层也不能太厚，厚的话一是与市售的标准刀杆尺寸不配套，二是会浪费原材料。
金属陶瓷厚度主要影响刀具的力学性能，对测温性能没有影响，因为金属陶瓷的电阻率很低很低，与热敏陶瓷的电阻率相比可忽略不计，因此不会影响到两层或三层结构的阻温特性。
热敏陶瓷层的厚度和原料组成主要影响刀具的测温性能，对刀具的力学性能没有影响。且刀具的力学性能只跟金属陶瓷层的力学性能有关，与整个刀具的力学性能关系不大，即两层或三层结构同样不会影响刀具的力学性能。
进一步地，所述结构材料为金属陶瓷。
进一步地，所述金属陶瓷，以重量份数计，包括以下原料：56～79份Ti(C0.7N0.3)、10～15份Mo2C、5～10份WC、0～5份NbC、4～8份Ni、2～6份Mo。
这个组分下金属陶瓷的综合力学性能较好，表现在抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度高，可以保证刀具具有良好的切削性能。
本发明的技术方案之二，一种上述热敏/结构材料复合叠层测温刀具的制备方法，所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具为两层叠层结构，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、热敏陶瓷粉末的制备：按摩尔比称取铬酸镧粉末与氧化钇粉末，将所述铬酸镧粉末与氧化钇粉末混合球磨、真空干燥、研磨、过100目筛得到所述热敏陶瓷粉末；
步骤二、金属陶瓷粉末的制备：按重量份数分别称取Ti(C0.7N0.3)粉末、WC粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、Ni粉末和Mo粉末，将称取的各原料粉末混合，以无水乙醇为介质进行超声波震荡得到浆体，将所述浆体真空干燥、研磨、过100目筛得到所述金属陶瓷粉末；
步骤三、压制成型和真空烧结：向模具中加入步骤二制得的金属陶瓷粉末进行一次预压，然后加入步骤一制得的热敏陶瓷粉末，进行二次预压，进行二次预压，二次预压结束后，进行真空烧结，得到所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具。
进一步地，步骤一中所述球磨的转速为200r/min，所述球磨的球料比为6:1；步骤二中所述超声波震荡的时间为2h；步骤三中所述一次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述二次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述真空烧结的具体操作为：以100℃/min的加热速率快速加热至1500～1600℃，保温5min，后以50℃/min的冷却速度冷却至室温，真空烧结过程中的单轴烧结压力为30MPa。
本发明的技术方案之三，一种上述热敏/结构材料复合叠层测温刀具的制备方法，所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具为三层叠层结构，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、热敏陶瓷粉末的制备：按摩尔比称取铬酸镧粉末与氧化钇粉末，将所述铬酸镧粉末与氧化钇粉末混合球磨、真空干燥、研磨、过100目筛得到所述热敏陶瓷粉末；
步骤二、金属陶瓷粉末的制备：按重量份数分别称取Ti(C0.7N0.3)粉末、WC粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、Ni粉末和Mo粉末，将称取的各原料粉末混合，以无水乙醇为介质进行超声波震荡得到浆体，将所述浆体真空干燥、研磨、过100目筛得到所述金属陶瓷粉末；
步骤三、向模具中加入步骤二制得的金属陶瓷粉末进行一次预压，然后加入步骤一制得的热敏陶瓷粉末，进行二次预压，再次加入步骤二制得的金属陶瓷粉末进行三次预压，三次预压结束后，进行真空烧结，得到所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具。
进一步地，步骤一中所述球磨的转速为200r/min，所述球磨的球料比为6:1；步骤二中所述超声波震荡的时间为2h；步骤三中所述一次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述二次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述三次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述真空烧结的具体操作为：以100℃/min的加热速率快速加热至1500～1600℃，保温5min，后以50℃/min的冷却速度冷却至室温，真空烧结过程中的单轴烧结压力为30MPa。
本发明的技术方案之四，一种上述热敏/结构材料复合叠层测温刀具在切削测温中的应用。
进一步地，所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具进行切削测温时，将两根导线的一端分别连接在热敏陶瓷层和金属陶瓷层上，然后将两根导线的另一端连接在数字源表上，切削时将数字源表通电即可。所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具连接导线时的示意图如图1所示。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的测温刀具由热敏陶瓷和结构材料组成的复合叠层结构构成，刀具除了具备切削功能还具备温度测量功能，集切削功能和测温功能为一体，可在进行切削操作的同时实现测温功能。
(2)本发明的热敏/结构材料复合叠层测温刀具不仅具有优异的切削性能(力学性能)，还具有良好的测温性能，其相对密度达100％，维氏硬度达19.5GPa，断裂韧性达6.8MPa·m1/2，抗弯强度达1035MPa，室温电阻率高达4.35×1010Ω·cm(室温电阻率越高，测温范围越宽)，测量灵敏度高达16223K(用B表示，B值越大测量灵敏度越高)。
(3)本发明的测温刀具在一次烧结条件下即可成形，制造工艺简单高效，热敏陶瓷与结构陶瓷界面结合良好，保证了切削性能(力学性能)和测温性能的完美结合，使刀具在发挥优异的切削性能的同时发挥优异的测温性能，使刀具的性能更加稳定，且克服了热电偶测温时需要重复标定和测量瞬态温度响应速度不足的问题。有助于推动智能切削技术的发展和应用，对实现航空、航天和兵器等领域的复杂精密零件、热敏感构件的高质量制造具有重要意义。
(4)本发明的测温刀具结构紧凑，通过常规技术即可实现批量制造，制造成本低，便于推广应用。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的热敏/结构陶瓷复合叠层测温刀具的示意图，其中(a)为两层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具，(b)为三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具，1-结构陶瓷层，2-热敏陶瓷层，3-导线，4-导线；
图2为实施例1制得的两层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具的界面微观组织图；
图3为实施例4制得的三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具的界面微观组织图；
图4为本发明实施例1-3制得的两层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具的阻温特性曲线图；
图5为本发明实施例4和对比例1-3制得的三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具的阻温特性曲线图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”“包括”“具有”“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下实施例中制备的热敏/结构材料复合叠层测温刀具是由一层结构材料(金属陶瓷)层和一层热敏陶瓷(xY2O3-yLaCrO3，其中0.4≤x≤0.7，x+y＝1，x和y均为摩尔数)层组成的两层叠层结构，或是由中间为热敏陶瓷层两侧为结构材料层组成的三层叠层结构，热敏陶瓷层的厚度为0.5～1.5mm，热敏/结构复合叠层测温刀具的整体厚度为6mm。
金属陶瓷，以重量份数计，包括以下原料：56～79份Ti(C0.7N0.3)、10～15份Mo2C、5～10份WC、0～5份NbC、4～8份Ni、2～6份Mo。
两层叠层结构的热敏/结构材料复合叠层测温刀具的制备方法为：
步骤一、热敏陶瓷粉末的制备：按摩尔比(xY2O3-yLaCrO3，其中0.4≤x≤0.7，x+y＝1，x和y均为摩尔数)称取铬酸镧粉末与氧化钇粉末，将铬酸镧粉末与氧化钇粉末以200r/min的转速、6：1的球料比混合球磨8h，球磨后的粉体在120℃真空干燥2h，研磨，过100目筛得到热敏陶瓷粉末；
步骤二、金属陶瓷粉末的制备：按重量份数分别称取Ti(C0.7N0.3)粉末、WC粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、Ni粉末和Mo粉末，将称取的各原料粉末混合，以无水乙醇为介质(粉末与无水乙醇的质量比为1∶3)进行超声波震荡2h(超声波的功率为200W)得到浆体，将浆体在120℃真空干燥2h，研磨，过100目筛得到所述金属陶瓷粉末；
步骤三、压制成型和真空烧结：先将步骤二制得的金属陶瓷粉末倒入模具中以10MPa的压力进行一次预压2min，然后将步骤一制得的热敏陶瓷粉末倒入模具中，以10MPa的压力进行二次预压2min，形成2层结构，二次预压结束后，进行真空烧结(具体操作为：以100℃/min的加热速率快速加热至1500～1600℃，保温5min，后以50℃/min的冷却速度冷却至室温，真空烧结过程中的单轴烧结压力为30MPa)，得到两层叠层结构的热敏/结构材料复合叠层测温刀具。
三层叠层结构的热敏/结构材料复合叠层测温刀具的制备方法为：
步骤一、热敏陶瓷粉末的制备：按摩尔比(xY2O3-yLaCrO3，其中0.4≤x≤0.7，x+y＝1，x和y均为摩尔数)称取铬酸镧粉末与氧化钇粉末，将铬酸镧粉末与氧化钇粉末以200r/min的转速、6∶1的球料比混合球磨8h，球磨后的粉体在120℃真空干燥2h，研磨，过100目筛得到热敏陶瓷粉末；
步骤二、金属陶瓷粉末的制备：按重量份数分别称取Ti(C0.7N0.3)粉末、WC粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、Ni粉末和Mo粉末，将称取的各原料粉末混合，以无水乙醇为介质(粉末与无水乙醇的质量比为1∶3)进行超声波震荡2h(超声波的功率为200W)得到浆体，将浆体在120℃真空干燥2h，研磨，过100目筛得到所述金属陶瓷粉末；
步骤三、压制成型和真空烧结：先将步骤二制得的金属陶瓷粉末倒入模具中以10MPa的压力进行一次预压2min，然后将步骤一制得的热敏陶瓷粉末倒入模具中，以10MPa的压力进行二次预压2min，再次将步骤二制得的金属陶瓷粉末倒入模具中，以10MPa的压力进行三次预压2min，形成3层结构，三次预压结束后，进行真空烧结(具体操作为：以100℃/min的加热速率快速加热至1500～1600℃，保温5min，后以50℃/min的冷却速度冷却至室温，真空烧结过程中的单轴烧结压力为30MPa)，得到三层叠层结构的热敏/结构材料复合叠层测温刀具。
以下实施例中使用的铬酸镧粉末、氧化钇粉末、Ti(C0.7N0.3)粉末、WC粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、Ni粉末和Mo粉末等原料均为普通市售产品。
实施例1
步骤1，按摩尔比0.3:0.7称取铬酸镧粉末与氧化钇粉末，将称量好的原料粉体放入行星球磨机球磨，以工业无水乙醇和玛瑙球作为混合介质，球磨速度为200r/min，研磨球与粉末质量比例为6:1，球磨时间为8h；球磨后的粉体在120℃真空干燥2h；将干燥之后的粉体在玛瑙研钵中进行研磨，经过100目筛得到热敏陶瓷粉末。
步骤2，按质量份数分别称取71份Ti(C0.7N0.3)、5份WC、15份Mo2C、3份NbC、4份Ni、2份Mo，以无水乙醇为介质(粉末与无水乙醇的质量比为1:3)，将称取的粉末放入烧杯中，烧杯在超声波振荡器中进行搅动和超声波震荡2h(超声波功率为200W)得到浆体，超声波震荡后的浆体在120℃下进行真空干燥2h，将干燥冷却后的粉末在玛瑙研钵中研磨，经过100目筛网过筛得到金属陶瓷粉末。
步骤3，在截面为正方形，边长为12.7mm的石墨模具内壁铺上石墨纸(厚度0.2mm)，按照烧结后金属陶瓷层厚度为4.5mm称取金属陶瓷粉末，将称取的金属陶瓷粉末倒入模具中，以10MPa单向压力对其预压2min，按照烧结后热敏陶瓷层厚度为1.5mm称取热敏陶瓷粉末，然后将热敏陶瓷粉末倒入模具中，之后在压力机中进行预压2min，压力10MPa，形成2层结构；预压结束后，将金属陶瓷粉末层朝下，热敏陶瓷粉末层朝上，连同模具置于放电等离子烧结炉中烧结，真空烧结，单轴烧结压力为30MPa，以100℃/min加热速率快速加热至1500℃，保温5min，后冷却至室温，冷却速率为50℃/min，最后取出烧结试样，得到两层叠层结构的热敏/结构材料测温刀具。
实施例2
同实施例1，区别在于，步骤3中按照烧结后金属陶瓷层厚度为5mm称取金属陶瓷粉末，按照烧结后热敏陶瓷层厚度为1mm称取热敏陶瓷粉末。
实施例3
同实施例1，区别在于，步骤3中按照烧结后金属陶瓷层厚度为5.5mm称取金属陶瓷粉末，按照烧结后热敏陶瓷层厚度为0.5mm称取热敏陶瓷粉末。
实施例4
步骤1和步骤2同实施例1，步骤3的具体操作为：
在截面为正方形，边长为12.7mm的石墨模具内壁铺上石墨纸(厚度0.2mm)，按照烧结后金属陶瓷层厚度为2.25mm称取金属陶瓷粉末，将称取的金属陶瓷粉末倒入模具中，以10MPa单向压力对其预压2min，按照烧结后热敏陶瓷层厚度为1.5mm称取热敏陶瓷粉末，将称量的热敏陶瓷粉末倒入模具中，之后在压力机中进行预压2min，压力10MPa，之后再次按照烧结后金属陶瓷层厚度为2.25mm称取金属陶瓷粉末，倒入称取的金属陶瓷粉末，以10MPa单向压力对其预压2min，形成3层结构；预压结束后，将其中一层金属陶瓷粉末层朝下，另一层金属陶瓷粉末层朝上，连同模具置于放电等离子烧结炉中烧结，真空烧结，单轴烧结压力为30MPa，以100℃/min加热速率快速加热至1500℃，保温5min，后冷却至室温，冷却速率为50℃/min，最后取出烧结试样，得到三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具。
实施例5
同实施例1，区别在于，步骤1中按摩尔比0.6:0.4称取铬酸镧粉末与氧化钇粉末。
实施例6
同实施例1，区别在于，步骤2中按质量份数分别称取71份Ti(C0.7N0.3)、5份WC、15份Mo2C、3份NbC、8份Ni、4份Mo。
对比例1
步骤1和步骤2同实施例1，步骤3的具体操作为：
在截面为正方形，边长为12.7mm的石墨模具内壁铺上石墨纸(厚度0.2mm)，按照烧结后金属陶瓷层厚度为2mm称取金属陶瓷粉末，将称取的金属陶瓷粉末倒入模具中，以10MPa单向压力对其预压2min，按照烧结后热敏陶瓷层厚度为2mm称取热敏陶瓷粉末，将称量的热敏陶瓷粉末倒入模具中，之后在压力机中进行预压2min，压力10MPa，之后再次按照烧结后金属陶瓷层厚度为2mm称取金属陶瓷粉末，倒入称取的金属陶瓷粉末，以10MPa单向压力对其预压2min，形成3层结构；预压结束后，将其中一层金属陶瓷粉末层朝下，另一层金属陶瓷粉末层朝上，连同模具置于放电等离子烧结炉中烧结，真空烧结，单轴烧结压力为30MPa，以100℃/min加热速率快速加热至1500℃，保温5min，后冷却至室温，冷却速率为50℃/min，最后取出烧结试样，得到三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具。
对比例2
步骤1和步骤2同实施例1，步骤3的具体操作为：
在截面为正方形，边长为12.7mm的石墨模具内壁铺上石墨纸(厚度0.2mm)，按照烧结后金属陶瓷层厚度为1.75mm称取金属陶瓷粉末，将称取的金属陶瓷粉末倒入模具中，以10MPa单向压力对其预压2min，按照烧结后热敏陶瓷层厚度为2.5mm称取热敏陶瓷粉末，将称量的热敏陶瓷粉末倒入模具中，之后在压力机中进行预压2min，压力10MPa，之后再次按照烧结后金属陶瓷层厚度为1.75mm称取金属陶瓷粉末，倒入称取的金属陶瓷粉末，以10MPa单向压力对其预压2min，形成3层结构；预压结束后，将其中一层金属陶瓷粉末层朝下，另一层金属陶瓷粉末层朝上，连同模具置于放电等离子烧结炉中烧结，真空烧结，单轴烧结压力为30MPa，以100℃/min加热速率快速加热至1500℃，保温5min，后冷却至室温，冷却速率为50℃/min，最后取出烧结试样，得到三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具。
对比例3
步骤1和步骤2同实施例1，步骤3的具体操作为：
在截面为正方形，边长为12.7mm的石墨模具内壁铺上石墨纸(厚度0.2mm)，按照烧结后金属陶瓷层厚度为1.5mm称取金属陶瓷粉末，将称取的金属陶瓷粉末倒入模具中，以10MPa单向压力对其预压2min，按照烧结后热敏陶瓷层厚度为3mm称取热敏陶瓷粉末，将称量的热敏陶瓷粉末倒入模具中，之后在压力机中进行预压2min，压力10MPa，之后再次按照烧结后金属陶瓷层厚度为1.5mm称取金属陶瓷粉末，倒入称取的金属陶瓷粉末，以10MPa单向压力对其预压2min，形成3层结构；预压结束后，将其中一层金属陶瓷粉末层朝下，另一层金属陶瓷粉末层朝上，连同模具置于放电等离子烧结炉中烧结，真空烧结，单轴烧结压力为30MPa，以100℃/min加热速率快速加热至1500℃，保温5min，后冷却至室温，冷却速率为50℃/min，最后取出烧结试样，得到三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具。
对比例4
同实施例1，区别在于，步骤2中按质量百分比分别称取71份Ti(C0.7N0.3)、5份WC、15份Mo2C、3份NbC、4份Ni、0份Mo。
对比例5
同实施例1，区别在于，步骤2中按质量百分比分别称取71份Ti(C0.7N0.3)、5份WC、15份Mo2C、3份NbC、8份Ni、8份Mo。
效果验证
(1)微观结构
分别取实施例1制备的两层叠层结构的热敏/结构陶瓷复合叠层测温刀具和实施例4制备的三层叠层结构的热敏/结构陶瓷复合叠层测温刀具，观察其界面微观结构，实施例1制备的两层叠层结构的热敏/结构陶瓷复合叠层测温刀具的界面微观组织图(SEM图)如图2所示，实施例4制备的三层叠层结构的热敏/结构陶瓷复合叠层测温刀具的界面微观组织图(SEM图)如图3所示，由图2和图3可知，金属陶瓷层和热敏陶瓷层微观组织均匀且致密，金属陶瓷和热敏陶瓷界面处无裂纹、缝隙等缺陷，界面结合紧密。
(2)物理性能和测温性能
分别取实施例1-6和对比例1-5制得的热敏/结构陶瓷复合叠层测温刀具进行力学性能和测温性能的测试，测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0003720557340000161
需要注意的是，此处的力学性能测试的是金属陶瓷层材料的力学性能(所有试样的尺寸均为3mm×4mm×25mm)，并没有拿整体刀具做切削实验，一般来说刀具的切削性能和刀具材料(金属陶瓷层材料)的综合力学性能(强度、韧性、硬度)正相关，通常认为刀具材料的力学性能好，刀具的切削性能也好，力学性能一样那么切削性能也一致。此处的测温性能测试的则是整体刀具的测温性能。
(3)阻温特性
分别取实施例1-3制得的两层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具和实施例4以及对比例1-3制得的三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具进行阻温特性的测试，实施例1-3制得的两层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具的阻温特性曲线图如图4所示，实施例4以及对比例1-3制得的三层叠层结构的热敏/结构陶瓷测温刀具阻温特性曲线图如图5所示，图4和图5中的h代表的是热敏/结构陶瓷测温刀具热敏陶瓷层的厚度。由图4和图5可知，电阻率的对数与温度的倒数呈线性关系，且该线的斜率代表测量灵敏度B(斜率越大，B值越大，测量灵敏度越高)，热敏陶瓷层的厚度为0.5～1.5mm时，线条的斜率较大，因此，确定敏陶瓷层的厚度为0.5～1.5mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热敏/结构材料复合叠层测温刀具，其特征在于，所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具为由结构材料和热敏材料组成的叠层结构，所述热敏材料为热敏陶瓷xY2O3-yLaCrO3，其中0.4≤x≤0.7，x+y＝1，x和y均为摩尔数；
所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具是由一层结构材料层和一层热敏陶瓷层组成的两层叠层结构，或是由中间为热敏陶瓷层两侧为结构材料层组成的三层叠层结构；
所述热敏陶瓷层的厚度为0.5～1.5mm；
所述结构材料为金属陶瓷；
所述金属陶瓷，以重量份数计，包括以下原料：56～79份Ti(C0.7N0.3)、10～15份Mo2C、5～10份WC、0～5份NbC、4～8份Ni、2～6份Mo。
2.一种根据权利要求1所述的热敏/结构材料复合叠层测温刀具的制备方法，其特征在于，所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具为两层叠层结构，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、热敏陶瓷粉末的制备：按摩尔比称取铬酸镧粉末与氧化钇粉末，将所述铬酸镧粉末与氧化钇粉末混合球磨、真空干燥、研磨、过100目筛得到所述热敏陶瓷粉末；
步骤二、金属陶瓷粉末的制备：按重量份数分别称取Ti(C0.7N0.3)粉末、WC粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、Ni粉末和Mo粉末，将称取的各原料粉末混合，以无水乙醇为介质进行超声波震荡得到浆体，将所述浆体真空干燥、研磨、过100目筛得到所述金属陶瓷粉末；
步骤三、压制成型和真空烧结：向模具中加入步骤二制得的金属陶瓷粉末进行一次预压，然后加入步骤一制得的热敏陶瓷粉末，进行二次预压，二次预压结束后，进行真空烧结，得到所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具。
3.根据权利要求2所述的热敏/结构材料复合叠层测温刀具的制备方法，其特征在于，步骤一中所述球磨的转速为200r/min，所述球磨的球料比为6:1；步骤二中所述超声波震荡的时间为2h；步骤三中所述一次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述二次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述真空烧结的具体操作为：以100℃/min的加热速率快速加热至1500～1600℃，保温5min，后以50℃/min的冷却速度冷却至室温，真空烧结过程中的单轴烧结压力为30MPa。
4.一种根据权利要求1所述的热敏/结构材料复合叠层测温刀具的制备方法，其特征在于，所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具为三层叠层结构，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、热敏陶瓷粉末的制备：按摩尔比称取铬酸镧粉末与氧化钇粉末，将所述铬酸镧粉末与氧化钇粉末混合球磨、真空干燥、研磨、过100目筛得到所述热敏陶瓷粉末；
步骤二、金属陶瓷粉末的制备：按重量份数分别称取Ti(C0.7N0.3)粉末、WC粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、Ni粉末和Mo粉末，将称取的各原料粉末混合，以无水乙醇为介质进行超声波震荡得到浆体，将所述浆体真空干燥、研磨、过100目筛得到所述金属陶瓷粉末；
步骤三、压制成型和真空烧结：向模具中加入步骤二制得的金属陶瓷粉末进行一次预压，然后加入步骤一制得的热敏陶瓷粉末，进行二次预压，再次加入步骤二制得的金属陶瓷粉末进行三次预压，三次预压结束后，进行真空烧结，得到所述热敏/结构材料复合叠层测温刀具。
5.根据权利要求4所述的热敏/结构材料复合叠层测温刀具的制备方法，其特征在于，步骤一中所述球磨的转速为200r/min，所述球磨的球料比为6:1；步骤二中所述超声波震荡的时间为2h；步骤三中所述一次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述二次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述三次预压的压力为10MPa，时间为2min，所述真空烧结的具体操作为：以100℃/min的加热速率快速加热至1500～1600℃，保温5min，后以50℃/min的冷却速度冷却至室温，真空烧结过程中的单轴烧结压力为30MPa。
6.一种根据权利要求1所述的热敏/结构材料复合叠层测温刀具在切削测温中的应用。
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