CN1454869A

CN1454869A - 梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法

Info

Publication number: CN1454869A
Application number: CN 03112232
Authority: CN
Inventors: 赵军; 艾兴; 张建华
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2003-11-12

Abstract

本发明属机械制造和无机非金属材料领域，涉及一种Al₂O₃/TiC对称型梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法。该梯度功能陶瓷刀具材料具有对称型双向组成分布结构。其制备步骤为：采用湿法工艺分散混料，分别配制不同混合比的Al₂O₃/TiC复合粉并添加微量烧结助剂，干燥过筛后，按照设计的质量比称取各种不同混合比的复合粉的重量，逐层进行粉末叠层填充，在1700～1750℃的烧结温度及30MPa的压力下进行热压烧结，保温10～20min，然后随炉冷却。该陶瓷刀具材料各项力学性能指标均高于相同材料体系的普通陶瓷刀具材料，是一种新型陶瓷刀具材料。

Description

梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法

技术领域：

本发明属机械制造和无机非金属材料领域，特别涉及一种梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法。

背景技术：

陶瓷刀具具有高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性等优点，然而其本身的脆性限制了其应用范围，而且其强度、导热性能和抗热震性也较低。因此提高其强度、韧性和抗热震性是提高其性能及扩展其应用范围的关键。国内外研究者及刀具的生产厂家一般采用向陶瓷基体中添加增韧强化相的方法提高其性能，如添加TiC、(W，Ti)C、Ti(C，N)、TiB₂、SiC颗粒或晶须进行颗粒或晶须增韧强化，或者利用ZrO₂相变进行增韧强化。增韧机理主要有裂纹偏转、裂纹桥接、晶须拔出及微裂纹增韧等。然而这些增韧强化是有限度的，仍不能在大的范围内满足高效切削高难加工材料的要求。梯度功能材料是廿世纪80年代中后期为了适应未来航空航天等领域的要求而发展起来的一种组分和性能均连续变化的新型复合材料，具有优异的隔热、防热和缓和热应力的功能。

日本研究者(粉体および粉末冶金，1990，37(2)：253～258)报道的PSZ/SUS304梯度功能材料采用以下方法制备：采用粉末铺展法，将不同体积混合比的PSZ/SUS304复合粉末进行一层层堆积，材料两侧分别为纯PSZ粉和纯SUS304粉，PSZ的体积比从一侧到另一侧逐渐变化，铺好的材料在100MPa下成型，在200MPa下进行冷等静压，最后在1350℃下进行真空烧结1小时。

中国文献(硅酸盐学报，1993，21(5)：406～412)报道的MgO/Ni梯度功能材料也采用粉末铺展法逐层铺展不同混合比的MgO/Ni复合粉，材料的成分从一侧的纯MgO逐渐过渡到纯Ni，然后采用热压方法进行烧结。

这些梯度功能材料承受高温的一侧为纯陶瓷，承受低温的一侧为纯金属，材料的组分都是单向梯度分布的。而且这些梯度功能材料都用做航空航天领域的隔热材料，不能用做金属切削刀具材料。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可靠性高、抗磨损、抗破损的梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法。

本发明是通过以下方式来实现的：

梯度功能陶瓷刀具材料包括Al₂O₃和TiC，其特征是该刀具材料为多层结构，各种成分呈对称型分布，Al₂O₃的含量从表面到中心逐渐增加，中心位置的Al₂O₃含量最高，而表面的Al₂O₃含量最低。

上述梯度功能陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：首先采用湿法工艺分散混料，配制不同混合比的Al₂O₃/TiC复合粉至少5种，每一种都添加微量助烧结剂Y₂O₃和MgO；然后干燥、过筛，按照Al₂O₃的含量从低到高，再从高到低的顺序在石墨模具中进行粉末的逐层铺展及预压；最后采用N₂气氛保护进行热压烧结。热压烧结压力为30MPa，烧结温度范围是1700～1750℃，保温时间范围是10～20min。

本发明由于采用梯度功能的设计，该陶瓷刀具材料的各项力学性能指标均高于相同材料体系的普通陶瓷刀具材料，适于高速加工各种钢和铸铁，尤其是高硬、高强钢和高硬铸铁，刀具寿命比普通陶瓷刀具提高30％～50％，而成本只提高15％～20％；比硬质合金刀具的生产效率提高50％～100％，表面质量提高一个数量级，是一种新型陶瓷刀具材料。

具体实施方式：

下面给出本发明的两个最佳实施例。

实施例一：制备9层结构的Al₂O₃/TiC系梯度功能陶瓷刀具材料

(1)采用湿法工艺混料，配制5种不同混合比的复合粉，编号为：70T、60T、50T、40T和30T，它们的TiC与Al₂O₃的体积比分别为：70vol％/30vol％、60vol％/40vol％，、50vol％/50vol％、40vol％/60vol％和30vol％/70vol％，并添加微量助烧结剂Y₂O₃和MgO，然后干燥、过筛；

(2)按质量比10、10.1、10.7、12.4wt％，分别称取复合粉70T、60T、50T、40T各两份，按质量比13.6wt％称取复合粉30T一份备用；

(3)按70T、60T、50T、40T、30T、40T、50T、60T、70T的顺序在模具中进行粉末的叠层填充并预压；

(4)在1700℃的烧结温度及30MPa的压力下进行热压烧结，并进行N₂气体保护，保温20min，然后随炉冷却。

按上述组分配比得到的刀具材料具有9层结构，两个表层中TiC体积分数为70vol％，中间层中TiC体积分数为30vol％。

实施例二：11层结构的Al₂O₃/TiC系梯度功能陶瓷刀具材料

(1)采用湿法工艺混料，配制6种不同混合比的复合粉，编号为：65T、60T、55T、50T、45T和40T，它们的TiC与Al₂O₃的体积比分别为：65vol％/35vol％、60vol％/40vol％、55vol％/45vol％、50vol％/50vol％、45vol％/55vol％和40vol％/60vol％，并添加微量助烧结剂Y₂O₃和MgO，然后干燥、过筛；

(2)按质量比9.31、9.21、9.12、9.02、8.93wt％，分别称取复合粉65T、60T、55T、50T和45T各两份，按质量比8.82wt％称取复合粉40T一份备用；

(3)按65T、60T、55T、50T、45T、40T、45T、50T、55T、60T和65T的顺序在模具中进行粉末的叠层填充并预压；

(4)在1750℃的烧结温度及30MPa的压力下进行热压烧结，并进行N₂气体保护，保温10min，然后随炉冷却。

按上述组分配比得到的刀具材料具有11层结构，两个表层中TiC体积分数为65vol％，中间层中TiC体积分数为40vol％。

这两种刀具适于断续和高速切削高强钢、铸铁及铬基高温合金等难加工材料。

Claims

1.梯度功能陶瓷刀具材料包括Al₂O₃和TiC，其特征是该刀具材料为多层结构，各种成分呈对称型分布，Al₂O₃的含量从表面到中心逐渐增加，中心位置的Al₂O₃含量最高，而表面的Al₂O₃含量最低。

2.根据权利要求1所述梯度功能陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：首先采用湿法工艺分散混料，配制不同混合比的Al₂O₃/TiC复合粉至少5种，每一种都添加微量助烧结剂Y₂O₃和MgO；然后干燥、过筛，按照Al₂O₃的含量从低到高，再从高到低的顺序在石墨模具中进行粉末的逐层铺展及预压；最后采用N₂气氛保护进行热压烧结。

3.根据权利要求2所述梯度功能陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是热压烧结压力为30MPa，烧结温度范围是1700～1750℃，保温时间范围是10～20min。