CN1293016C - 一种Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法，材料组分包括基体材料和增韧相，基体材料为Al₂O₃，其颗粒粒径为60～200nm，按体积百分比其含量为65%～90%，增韧相为按摩尔百分比含1.5～3.5%Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉，其颗粒粒径为50～100nm，含量按体积百分比为10～35%；制备工艺步骤包括湿化学方法制备基体材料和增韧相纳米粉、造粒、配料、球磨混料、坯体等静压成型、烧结。所制备的陶瓷刀具材料抗弯强度σ＝750～950MPa，断裂韧性K_1C＝7.8～9.6MPa.m^1/2，Weibull模数m＝10～11.7，耐用度达到4～6小时。

Description

一种Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及切削加工领域的陶瓷刀具材料及其制备方法。

背景技术

在机械加工领域中切削加工占据了重要的地位，而刀具材料起着决定性的作用。国际机械生产技术研究协会(CIRP)的一项研究报告指出：“每一种新刀具材料的出现，都将使机械加工的能力和水平向前迈进一大步”。刀具材料是影响切削加工技术的最主要的因素，刀具几何参数和刀具结构则是次要的因素。一个世纪以来刀具材料的发展从碳素工具钢、高速钢、硬质合金、TiC涂层硬质合金、Al₂O₃涂层硬质合金到新型陶瓷刀具的出现，提高了切削加工效率。航空、航天和各项超高温技术的发展，对零件的结构材料提出新的技术要求，难加工材料种类随之增加，各种新品种刀具材料的出现，给难加工材料的切削加工创造了有利条件。

自20世纪70年代出现陶瓷刀具以来，在其材料性能提高、制造工艺改进方面取得了实质性进展，欧、美、日等发达国家陶瓷刀具的应用占整个切削加工领域30％以上的份额。进入21世纪，新一代陶瓷刀具材料的研究面向以复相陶瓷为基础，采用高纯超细的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等一次粉料，以不同添加剂作为增韧、增强相，并根据不同的增韧补强机理来研究涉及材料的性能结构，通过优化烧结工艺实现各种具有优良综合性能的陶瓷刀具材料。

据文献统计，目前应用最广泛的陶瓷刀具包括三大类：Al₂O₃系、Si₃N₄系和Sailon陶瓷刀具。但在刀具材料及制造方法方面则存在不足，一般采用热压、常压烧结工艺方法，原始粉体颗粒较大，为微米级，使不同体系陶瓷刀具材料性能在满足切削加工条件、提高加工效率等方面受到了限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能、高耐用度的纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。

本发明的Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料组分包括基体材料和增韧相，基体材料为Al₂O₃，其颗粒粒径为20～200nm，按体积百分比其含量为65％～90％，增韧相为按摩尔百分比含1.5～3.5％氧化钇的氧化锆纳米粉，其颗粒粒径为20～100nm，含量按体积百分比为10～35％。

本发明的Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料的制备采用以下工艺步骤依次作业：制备基体材料和增韧相纳米粉、造粒、配料、球磨混料、成型、烧结。

1、采用湿化学方法制备基体材料和增韧相纳米粉。

(1)氢氧化铝沉淀的制备：首先以硝酸铝为原料，配制硝酸铝水溶液，浓度为0.2～0.8mol/L，以浓度为3～4mol/L的氨水为沉淀剂，将氨水滴加到硝酸铝溶液中进行沉淀反应，反应在磁力搅拌条件下进行，沉淀反应后调整溶液pH值为8～9，得到氢氧化铝沉淀。

(2)锆、钇的氢氧化物沉淀的制备：首先分别配制锆盐、钇盐溶液，锆盐选用氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)，钇盐选用Y₂O₃与HCl溶液混合后得到的三氯化钇(YCl₃)，配制的锆盐和钇盐溶液的浓度比为5.3∶0.8，其中钇盐溶液中按摩尔百分比含1.5～3.5％的Y₂O₃，再将两种溶液混合，得到锆盐、钇盐混合溶液，在pH值为3～5条件下，向混合溶液中滴定3～4mol/L的氨水溶液，生成锆、钇的氢氧化物沉淀。

(3)将以上步骤得到的氢氧化铝、含氢氧化钇的氢氧化锆沉淀物分别用去离子水清洗2～5次，除去氨离子、氯离子、硝酸根离子等，经烘干后，分别在1150～1200℃(α-Al₂O₃相转变温度以上)和350～600℃条件下煅烧1.5～3.5小时，最后制备出α-Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含1.5～3.5％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉，两种纳米粉的一次粒径均为20～50nm。

2、然后分别以上述的Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含1.5～3.5％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉为原料造粒，造粒后Al₂O₃纳米粉和ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉的颗粒粒径分别为60～200nm、50～100nm。

3、造粒后进行配料，以造粒后的Al₂O₃纳米颗粒和ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒为原料，Al₂O₃纳米颗粒的含量按体积百分比为65％～90％，ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒的含量按体积百分比为1O～35％。

4、然后将配好的物料加入球磨机中，球磨后烘干制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合粉体。

5、将复合粉体经过200MPa等静压成型，生坯密度达到55％。

6、将生坯放入烧结炉中，于1500～1650℃温度下真空烧结，保温0.5～2.5小时，制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合陶瓷刀具材料。

本发明陶瓷刀具材料的性能测试试验：

陶瓷刀具的倒棱宽度和倒棱角分别在精密磨床上完成。切削试验在CA6140机床上进行，工件材料为45#淬火钢，HRC60～61。刀具几何角度如下：前角γ₀＝-5°，后角α＝5°，主偏角κ＝75°，刃倾角λ＝-5°，副偏角κ’＝15°，倒棱角γ_r＝-15°，b_r＝0.5mm，刀尖圆弧半径r＝0.8mm，刀具尺寸为：12mm×12mm×8mm。在切削速度v＝300m/min、切削深度α_P＝0.5mm、进给量f＝0.15mm/r切削条件下，纳米陶瓷刀具的耐用度达到4～6小时，通过改变倒棱宽度和倒棱角对HRC60～61的材料可进行粗加工、半精加工和精加工。

本发明的Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料性能参数为：抗弯强度σ＝750～950MPa，断裂韧性K_IC＝7.8～9.6MPa.m^1/2，抗热震断裂因子R＝4780～5350J.m^-2.s^-1，抗热震损伤因子R″″＝118.5～122.7μm，Weibull模数m＝10～11.7，应用到HRC60～61，45#淬火钢的切削加工中刀具材料在最佳切削条件下耐用度达到4～6小时。本发明方法制备出高性能、高耐用度的纳米复合陶瓷刀具材料，在满足切削条件、提高切削效率、降低加工成本等方面有了显著进步。

具体实施方式

实施例1

首先采用湿化学方法制备基体材料和增韧相纳米粉。

氢氧化铝沉淀的制备：首先以硝酸铝为原料，配制硝酸铝水溶液，浓度为0.2mol/L，以浓度为3mol/L的氨水为沉淀剂，将氨水滴加到硝酸铝溶液中进行沉淀反应，反应在磁力搅拌器条件下进行，沉淀反应后调整溶液pH值为8，得到氢氧化铝沉淀。

锆、钇的氢氧化物沉淀的制备：首先分别配制锆盐、钇盐溶液，锆盐选用氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)，钇盐选用Y₂O₃与HCl混合后得到的三氯化钇(YCl₃)，配制的锆盐和钇盐溶液的浓度比为5.3∶0.8，再将两种溶液混合，得到锆盐、钇盐混合溶液，其中钇盐以Y₂O₃计占锆盐和钇盐总量的摩尔百分比为1.5％，在pH值为3的条件下，向混合溶液中滴定3mol/L的氨水溶液，生成锆、钇的氢氧化物沉淀。

以上两种氢氧化铝、含氢氧化钇的氢氧化锆的沉淀物分别经去离子水清洗3次，除去氨离子、氯离子、硝酸根离子等，经烘干后，分别在1150℃和350℃条件下煅烧2.5小时、1.5小时，最后制备出α-Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含1.5％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉，两种纳米粉的一次粒径均为20nm。

然后分别以上述的Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含1.5％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉为原料造粒，造粒后Al₂O₃纳米粉和ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉的颗粒粒径分别为60nm、50nm。

造粒后进行配料，以造粒后的Al₂O₃纳米颗粒和ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒为原料，Al₂O₃纳米颗粒的含量按体积百分比为65％，ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒的含量按体积百分比为35％；然后将配好的物料加入球磨机中，球磨后制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合粉体；将复合粉体经过200MPa等静压成型，生坯密度达到55％。

将生坯放入烧结炉中，于1500℃温度下真空烧结，保温0.5小时，制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合陶瓷刀具材料。

所制备的Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料性能参数为：抗弯强度σ＝750MPa，断裂韧性K_IC＝7.8MPa.m^1/2，Weibull模数m＝10，应用到HRC60～61，45#淬火钢的切削加工中刀具材料在最佳切削条件下耐用度达到4.2小时。

实施例2

首先采用湿化学方法制备基体材料和增韧相纳米粉。

氢氧化铝沉淀的制备：首先以硝酸铝为原料，配制硝酸铝水溶液，浓度为0.8mol/L，以浓度为4mol/L的氨水为沉淀剂，将氨水滴加到硝酸铝溶液中进行沉淀反应，反应在磁力搅拌器条件下进行，沉淀反应后调整溶液pH值为9，得到氢氧化铝沉淀。

锆、钇的氢氧化物沉淀的制备：首先分别配制锆盐、钇盐溶液，锆盐选用氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)，钇盐选用Y₂O₃与HCl混合后得到的三氯化钇(YCl₃)，配制的锆盐和钇盐溶液的浓度比为5.3∶0.8，再将两种溶液混合，得到锆盐、钇盐混合溶液，其中以Y₂O₃计钇盐占锆盐和钇盐总量的摩尔百分比为3.5％，在pH值为5条件下，向混合溶液中滴定4mol/L的氨水溶液，生成锆、钇的氢氧化物沉淀。

以上两种氢氧化铝、氢氧化锆(含氢氧化钇)的沉淀物分别经去离子水清洗4次，除去氨离子、氯离子、硝酸根离子等，经烘干后，分别在1200℃和600℃条件下煅烧1.5小时、3.5小时，最后制备出α-Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含3.5％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉，两种纳米粉的一次粒径均为40nm。

然后分别以上述的Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含3.5％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉为原料造粒，造粒后Al₂O₃纳米粉和ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉的颗粒粒径分别为180nm、85nm。

造粒后进行配料，以造粒后的Al₂O₃纳米颗粒和ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒为原料，Al₂O₃纳米颗粒的含量按体积百分比为90％，ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒的含量按体积百分比为10％；然后将配好的物料加入球磨机中，球磨后烘干制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合粉体；将复合粉体经过200MPa等静压成型，生坯密度达到55％。

将生坯放入烧结炉中，于1650℃温度下真空烧结，保温2.5小时，制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合陶瓷刀具材料。所制备的Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料性能参数为：抗弯强度σ＝950MPa，断裂韧性K_IC＝8.9MPa.m^1/2，Weibull模数m＝10.6，应用到HRC60～61，45#淬火钢的切削加工中刀具材料在最佳切削条件下耐用度达到4.5小时。

实施例3

首先采用湿化学方法制备基体材料和增韧相纳米粉。

氢氧化铝沉淀的制备：首先以硝酸铝为原料，配制硝酸铝水溶液，浓度为0.5mol/L，以浓度为3.5mol/L的氨水为沉淀剂，将氨水滴加到硝酸铝溶液中进行沉淀反应，反应在磁力搅拌器条件下进行，沉淀反应后调整溶液PH值为8.5，得到氢氧化铝沉淀。

锆、钇的氢氧化物沉淀的制备：首先分别配制锆盐、钇盐溶液，锆盐选用氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)，钇盐选用Y₂O₃与HCl混合后得到的三氯化钇(YCl₃)，配制的锆盐和钇盐溶液的浓度比为5.3∶0.8，再将两种溶液混合，得到锆盐、钇盐混合溶液，其中钇盐以Y₂O₃计占锆盐和钇盐总量的摩尔百分比为2.5％，在pH值为3.5条件下，向混合溶液中滴定4mol/L的氨水溶液，生成锆、钇的氢氧化物沉淀。

以上两种氢氧化铝、氢氧化锆(含氢氧化钇)的沉淀物分别经去离子水清洗5次，除去氨离子、氯离子、硝酸根离子等，经烘干后，分别在1180℃和500℃条件下煅烧3.5小时、3.5小时，最后制备出α-Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含2.5％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉，两种纳米粉的一次粒径均为35nm。

然后分别以上述的Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含2.5％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉为原料造粒，造粒后Al₂O₃纳米粉和ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉的颗粒粒径分别为200nm、55nm。

造粒后进行配料，以造粒后的Al₂O₃纳米颗粒和ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒为原料，Al₂O₃纳米颗粒的含量按体积百分比为70％，ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒的含量按体积百分比为30％；然后将配好的物料加入球磨机中，球磨后烘干制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合粉体；将复合粉体经过200MPa等静压成型，生坯密度达到55％。

将生坯放入烧结炉中，于1600℃温度下真空烧结，保温2.0小时，制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合陶瓷刀具材料。

所制备的Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料性能参数为：抗弯强度σ＝930MPa，断裂韧性K_IC＝9.6MPa.m^1/2，Weibull模数m＝11.7，应用到HRC60～61，45#淬火钢的切削加工中刀具材料在最佳切削条件下耐用度达到5.7小时。

实施例4

首先采用湿化学方法制备基体材料和增韧相纳米粉。

氢氧化铝沉淀的制备：首先以硝酸铝为原料，配制硝酸铝水溶液，浓度为0.6mol/L，以浓度为3.8mol/L的氨水为沉淀剂，将氨水滴加到硝酸铝溶液中进行沉淀反应，反应在磁力搅拌器条件下进行，沉淀反应后调整溶液PH值为8.5，得到氢氧化铝沉淀。

锆、钇的氢氧化物沉淀的制备：首先分别配制锆盐、钇盐溶液，锆盐选用氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)，钇盐选用Y₂O₃与HCl混合后得到的三氯化钇(YCl₃)，配制的锆盐和钇盐溶液的浓度比为5.3∶0.8，再将两种溶液混合，得到锆盐、钇盐混合溶液，其中钇盐以Y₂O₃计占锆盐和钇盐总量的摩尔百分比为3.0％，在pH值为4.5条件下，向混合溶液中滴定3mol/L的氨水溶液，生成锆、钇的氢氧化物沉淀。

以上两种氢氧化铝、氢氧化锆(含氢氧化钇)的沉淀物分别经去离子水清洗3次，除去氨离子、氯离子、硝酸根离子等，经烘干后，分别在1160℃和480℃条件下煅烧2.0小时、2.5小时，最后制备出α-Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含3.0％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉，两种纳米粉的一次粒径均为35nm。

然后分别以上述的Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含3.0％Y₂O₃的ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉为原料造粒，造粒后Al₂O₃纳米粉和ZrO₂(Y₂O₃)纳米粉的颗粒粒径分别为155nm、100nm。

造粒后进行配料，以造粒后的Al₂O₃纳米颗粒和ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒为原料，Al₂O₃纳米颗粒的含量按体积百分比为80％，ZrO₂(Y₂O₃)纳米颗粒的含量按体积百分比为20％；然后将配好的物料加入球磨机中，球磨后烘干制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合粉体；将复合粉体经过200MPa等静压成型，生坯密度达到55％。

将生坯放入烧结炉中，于1600℃温度下真空烧结，保温1.5小时，制备出Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合陶瓷刀具材料。

所制备的Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料性能参数为；抗弯强度σ＝885MPa，断裂韧性K_IC＝8.6MPa.m^1/2，Weibull模数m＝10.3，应用到HRC60～61，45#淬火钢的切削加工中刀具材料在最佳切削条件下耐用度达到6小时。

Claims (3)

1、一种Al₂O₃/ZrO₂Y₂O₃纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于该材料由基体材料和增韧相组成，基体材料为Al₂O₃，按体积百分比占65％～90％，其颗粒粒径为20～200nm；增韧相为按摩尔百分比含1.5～3.5％Y₂O₃的ZrO₂Y₂O₃纳米粉，按体积百分比占10～35％，其颗粒粒径为20～100nm。

2、按照权利要求1所述的Al₂O₃/ZrO₂Y₂O₃纳米复合陶瓷刀具材料，其特征在于抗弯强度σ＝750～950MPa，断裂韧性K_IC＝7.8～9.6MPa.m^1/2，Weibull模数m＝10～11.7，应用到HRC60，45#淬火钢的切削加工中刀具材料耐用度达到4～6小时。

3、权利要求1所述的Al₂O₃/ZrO₂Y₂O₃纳米复合陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于该方法采用以下工艺步骤依次作业：

①采用湿化学方法制备基体材料和增韧相纳米粉，工艺步骤为：

a、制备氢氧化铝沉淀，首先以硝酸铝为原料，配制硝酸铝水溶液，浓度为0.2～0.8mol/L，以浓度为3～4mol/L的氨水为沉淀剂，将氨水滴加到硝酸铝溶液中进行沉淀反应，反应在磁力搅拌条件下进行，沉淀反应后调整溶液pH值为8～9，得到氢氧化铝沉淀；

b、制备锆、钇的氢氧化物沉淀，首先分别配制锆盐、钇盐溶液，锆盐选用氧氯化锆，钇盐选用Y₂O₃与HCl溶液混合后得到的三氯化钇，配制的锆盐和钇盐溶液的浓度比为5.3∶0.8，其中钇盐溶液中按摩尔百分比含1.5～3.5％的Y₂O₃，再将两种溶液混合，得到锆盐、钇盐混合溶液，在pH值为3～5条件下，向混合溶液中滴定3～4mol/L的氨水溶液，生成锆、钇的氢氧化物沉淀；

c、将步骤a、b得到的氢氧化铝、含氢氧化钇的氢氧化锆沉淀物分别用去离子水清洗2～5次，经烘干后，分别在1150～1200℃和350～600℃条件下煅烧1.5～3.5小时，制备出α-Al₂O₃纳米粉和按摩尔百分比含1.5～3.5％Y₂O₃的ZrO₂Y₂O₃纳米粉，两种纳米粉的一次粒径均为20～50nm；

②造粒，分别以上述步骤得到的基体材料和增韧相纳米粉为原料造粒，经造粒后Al₂O₃纳米粉和ZrO₂Y₂O₃纳米粉的颗粒粒径分别为60～200nm、50～100nm；

③配料，以步骤②得到的Al₂O₃和ZrO₂Y₂O₃纳米颗粒为原料配料，Al₂O₃纳米颗粒的含量按体积百分比为65％～90％，ZrO₂Y₂O₃纳米颗粒的含量按体积百分比为10～35％；

④球磨混料，将配好的物料加入球磨机中，球磨制备出Al₂O₃/ZrO₂Y₂O₃复合粉体；

⑤成型，将上述Al₂O₃/ZrO₂Y₂O₃复合粉体进行坯体等静压成型，成型压力为200MPa；

⑥烧结，将步骤⑤得到的生坯放入烧结炉中烧结，温度条件是1500～1650℃，烧结时间为0.5～2.5小时。