Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料及其制备方法技术

一种Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料及其制备方法，属于材料技术领域，陶瓷刀具材料成分由主成分、副成分及添加成分组成，主成分中Al2O3体积含量为65~85%，Ti(C,N)体积含量为15~35%；副成分cBN为主成分体积的0.5~5%；添加成分为主成分体积的0.5~5%。制备方法为：（1）准备主原料；（2）准备副原料；（3）准备添加剂；（4）将准备的主原料和一次分散剂溶液球磨混合、干燥；（5）将副原料和添加剂置于二次分散剂溶液中，超声分散处理；（6）球磨混合后烘干至少24h，然后热压，温度1350~1450℃，压力30~45MPa。本发明专利技术的方法获得的陶瓷材料具有较高的力学性能，可用于加工“难加工”材料，制备成本更低廉。

【技术实现步骤摘要】
Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料及其制备方法
本专利技术属于材料
，特别涉及一种Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料及其制备方法。
技术介绍
随着现代机械工业的发展，高强钢、淬火钢、镍基合金、钴基合金、钛合金等金属及复合材料等的使用越来越广泛，这些材料一般至少具有以下特点之一：高硬度、高强度、高塑性和高韧性、低塑性和高脆性、低导热性、有微观的硬质点或硬夹杂物、化学性质活泼；这些特性使切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具耐用度下降；有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难以控制；最终则使加工效率和加工质量降低。Al2O3陶瓷具有优良的高温强度、耐磨性、耐腐蚀性，采用纳米粉可以进一步降低烧结温度，但纯Al2O3陶瓷室温强度低、断裂韧性较差限制了其发展；Al2O3中添加碳化物或氮化物，经热压烧结，明显改善材料性能；Ti(C,N)是TiC和TiN的连续固溶体，它兼具二者的优良性能，在氧化铝陶瓷中可以阻碍Al2O3晶粒长大，起到增强增韧的作用；立方氮化硼(cBN)是一种新型超硬材料，结构与金刚石类似，硬度仅次于金刚石，热稳定性非常好，耐热性可达1400-1450℃，化学稳定性好，1000℃以下不会产生氧化反应，与铁系材料直到1200-1300℃也不起化学反应，此外cBN还具有良好的导热性和较小的摩擦系数，可以改善刀具材料切削性能；但是cBN不易烧结，易分解，通常是在高温、超高压（>5GPa）下制备。专利CN101583451A公开了一种“cBN烧结体和cBN烧结体制成的工具”，其中所描述的cBN烧结体是通过在1200~1900℃的温度下，且在不低于4GPa不高于7GPa的压力下烧结如下原料粉末获得；所述原料粉末组成为：50~90vol%cBN，1~20vol%TiC，9~50vol%（Al2O3+ZrO2）；或者40~85vol%cBN，0.5~15vol%TiCN，9~50vol%(Al2O3+ZrO2)；专利CN102821898A公开了一种“立方氮化硼烧结体和立方氮化硼烧结体工具”，这种cBN烧结体包含:20~65vol%cBN,30~80vol%Al2O3,Zr的氮化物、硼化物、碳化物、碳氮化物、硼氮化物中的一种或几种记为X，及ZrO2，X与ZrO2在烧结体中总量为1~6vol%；所描述的cBN烧结体是通过在5.5~7.0GPa，1300-1800℃的高温、高压下烧结获得；专利CN103764595A公开了一种“由陶瓷和低体积立方氮化硼形成的复合致密体及制造方法”，这种复合致密体通过在高温/高压下烧结包括5~60vol%cBN、5~2vol%氧化锆的以及其它陶瓷材料的组合物而成，其它材料可以包括一种或多种Ti、Zr、Hf、Al、Si的氮化物、硼化物以及碳化物以及Al2O3，致密体可以在烧结过程中粘接到碳化物基体；所述复合致密体通过在40~60KBar和1300~1800℃的范围内的高温/高压烧结过程而制造；专利CN102864357A公开了一种“纳米碳化硼和纳米氮化硼颗粒复合增强碳氮化钛基金属陶瓷材料”。该材料在以碳氮化钛（TiC,N）为主相，以钴、镍为粘结相的基体材料中添加增强相，该增强相为纳米碳化硼和纳米氮化硼颗粒，增强相的添加量为0.5~8wt%(BC+BN)，该金属陶瓷的制备工艺是模压后真空（氮气）烧结；专利CN103121845A公开了“一种立方氮化硼烧结体及其制备方法”，其原材料包括氧化铝、立方氮化硼、Ti粉、Al粉、Si粉，其中氧化铝和立方氮化硼的质量比为1：0.3~9，按氧化铝和立方氮化硼总质量的0.1~50%添加Ti粉、Al粉和Si粉中的一种或几种，经混合后在10~120MPa，1000~1600℃，SPS烧结5~30min，烧结体的弯曲强度可达350~460MPa。以上几种方法均不同程度存在原料成本高、反应条件苛刻、操作复杂、制备成本高、性能不够理想等问题。
技术实现思路
针对现有Al2O3陶瓷基刀具材料在制备技术上存在的上述问题，本专利技术提供一种Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料及其制备方法，通过以纳米级的Al2O3和微米级的Ti(C,N)为基础粉末，添加少量微米级的cBN粉末及其它添加剂，选择合适的分散剂，制备出纳米颗粒均匀分布的Al2O3-Ti(C,N)-cBN混合粉末,再采用一般热压烧结制备出Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料。本专利技术的Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的成分由主成分、副成分及添加成分组成，主成分中Al2O3的体积含量为65~85%，Ti(C,N)的体积含量为15~35%；副成分为cBN，为主成分体积的0.5~5%；添加成分为Ti、Al和Ni中的一种或两种，为主成分体积的0.5~5%。上述的Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的维氏硬度22~24GPa，抗弯强度500~650MPa，断裂韧性6~9MPa·m1/2。本专利技术的Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的制备方法按以下步骤进行：1、准备Al2O3粉末、Ti(C,N)粉末作为主原料；Al2O3粉末的粒度为0.08~0.2μm，占全部主原料总体积的65~85%；Ti(C,N)粉末的粒度为0.08~0.1μm，占全部主原料总体积的15~35%；2、准备cBN粉末作为副原料，cBN粉末的粒度为0.5~5μm，占全部主原料总体积的0.5~5%；3、准备Ti粉、Al粉和Ni粉中的一种或两种混合作为添加剂，粒度≤3μm，添加剂占全部主原料总体积的0.5~3%；4、将分散剂聚丙烯酸铵溶于水中制成一次分散剂溶液，聚丙烯酸铵的重量浓度为0.6~1.2%；将准备的主原料和一次分散剂溶液置于球磨机中球磨混合12~24h，然后在80~120℃干燥24~48h，得到Al2O3-Ti(C,N)混合粉末；其中一次分散剂溶与主原料的体积比为1:（0.3~0.6）；5、将分散剂聚乙二醇溶于无水乙醇中，搅拌均匀制成二次分散剂溶液，聚乙二醇的重量浓度为0.6~1.2%；将准备的副原料和添加剂置于二次分散剂溶液中，然后进行超声分散处理制成悬浊液；其中二次分散剂溶与副原料的体积比为1:（0.3~0.6）；6、将Al2O3-Ti(C,N)混合粉末与悬浊液放入球磨机中球磨混合至少24h，然后在60~80℃条件下烘干至少24h，获得的固体物料在真空或惰性气氛条件下进行热压，热压温度为1350~1450℃，热压压力30~45MPa，热压时间为15~30min，制成Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料。上述方法中，Ti(C,N)粉末中Ti（C1-XNX）的重量含量≥99.9％，其中x=0.3~0.7。上述方法中，cBN粉末中立方相BN≥99%。上述方法中，选用的聚乙二醇为聚乙二醇400。上述方法中，真空条件是指真空度＜10-2MPa。上述方法中，惰性气氛为氩气气氛。本专利技术的方法通过选择合适的分散剂、最佳的分散剂用量解决了混料过程中纳米尺寸基础粉末及添加剂容易团聚的问题，制备出cBN颗粒均匀分布的Al2O3-TiCN-cBN混合料；经过热压烧结制备出Al2O3-TiCN-cBN复合陶瓷刀具材料；在氧化铝中添加Ti(C,N)颗粒，一方面阻止了氧化铝晶粒的长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Al2O3‑Ti(C,N)‑cBN陶瓷刀具材料，其特征在于成分由主成分、副成分及添加成分组成，主成分中Al2O3的体积含量为65~85%，Ti(C,N)的体积含量为15~35%；副成分为cBN，含量为主成分体积的0.5~5%；添加成分为Ti、Al和Ni中的一种或两种，含量为主成分体积的0.5~5%。

【技术特征摘要】
1.一种Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：（1）准备Al2O3粉末、Ti(C,N)粉末作为主原料；Al2O3粉末的粒度为0.08~0.2μm，占全部主原料总体积的70%；Ti(C,N)粉末的粒度为0.08~0.1μm，占全部主原料总体积的30%；所述的Ti(C,N)粉末中Ti（C1-XNX）的重量含量≥99.9％，其中x=0.5；（2）准备cBN粉末作为副原料，cBN粉末的粒度为2~3μm，占全部主原料总体积的0.5%；（3）准备Al粉作为添加剂，粒度≤3μm，添加剂占全部主原料总体积的0.5%；（4）将分散剂聚丙烯酸铵溶于水中制成一次分散剂溶液，聚丙烯酸铵的重量浓度为0.8%；将准备的主原料和一次分散剂溶液置于球磨机中球磨混合16h，然后在90℃干燥40h，得到Al2O3-Ti(C,N)混合粉末；其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭东，修稚萌，张梦雯，李晓东，张牧，韩成玮，李继光，霍地，朱琦，刘绍宏，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21