一种复合陶瓷刀具材料及其制备方法技术

一种复合陶瓷刀具材料及其制备方法，材料含有成分及体积百分数为Al2O3：80～90％，ZrO2：5～15％，cBN：3～10％，三者体积百分数之和为100％；方法：1)准备取Al2O3粉末、ZrO2粉末和cBN粉末；2)将柠檬酸铵和/或聚丙烯酸氨，溶于水制成分散剂溶液；3)将Al2O3粉末、ZrO2粉末、cBN粉末和分散剂溶液，球磨混料后，干燥，制得的混合粉末；4)将混合粉末，在真空或惰性气体气氛下热压烧结，制得Al2O3‑ZrO2‑cBN复合陶瓷刀具材料。本发明专利技术方法添加ZrO2和cBN起到增韧的作用；添加少量的cBN避免了烧结需要的高温高压条件；通过分散剂的选取，解决了混料过程中纳米尺寸粉末的团聚问题；制备的材料中氧化锆全部为四方相，氮化硼仍保持立方相。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于陶瓷刀具材料
，具体涉及一种复合陶瓷刀具材料及其制备工艺。
技术介绍
近年来，陶瓷和立方氮化硼等刀具材料的使用比例正在逐年增加，这一方面是由于高速钢、硬质合金等刀具无法满足淬火钢、高温合金等难加工材料的加工需求；另一方面，陶瓷刀具和立方氮化硼具有优异的高温硬度和化学稳定性，使得其在切削加工中具有独特的优势。Al2O3具有优异的室温和高温硬度，耐磨性和抗氧化性，使得Al2O3成为应用最广泛的陶瓷刀具材料之一。然而，较低的断裂韧性导致其在切削过程中容易产生崩刀，较低的导热性会造成切削区域温度过高而影响工件表面质量，因而大大限制了其发展。因此，提高氧化铝基陶瓷刀具的韧性和导热性是研发新型陶瓷刀具材料要解决的主要问题。众说周知，t-ZrO2因其特有的四方相向单斜相的转变，发生体积膨胀，以阻止裂纹的扩展，能明显起到增韧的作用。但ZrO2的硬度偏低，会造成ZrO2增韧Al2O3的复合材料的硬度降低，耐磨性下降。cBN具有仅次于金刚石的超高硬度、耐磨性和导热性，并且其高温稳定性远强于金刚石，因而cBN在短短几十年的时间就得到迅速的发展。但由于cBN的强共价键，使得cBN刀具材料通常是在超高压下制备的。苛刻的烧结条件是制备cBN刀具材料面临的最大问题。专利CN1293016C公开了一种Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。该材料组分包括体积百分比为65～90％的Al2O3和摩尔百分比含1.5～3.5％Y2O3的ZrO2纳米粉，其体积百分比为10～35％。烧结温度为1500-1650℃，保温时间为0.5-2.5小时。所制备的陶瓷刀具材料的抗弯强度为750～950MPa，断裂韧性为7.8～9.6MPa·m1/2。专利CN103641456B公开了一种高强度纳米复合陶瓷材料及其制备方法，该材料的特征在于，各组分按重量百分比：纳米ZrO22.5～5份，亚微米Al2O340～45份，纳米TiC30～40份，纳米BN0.5～4份以及纳米B4C1～4分，其余为纳米MgO。制备复合材料的烧结工艺为1500～1700℃，其硬度为13.4～18.3GPa，抗弯强度为620～720MPa，断裂韧性为5.8～8.5MPa·m1/2。专利CN102821898B公开了一种cBN烧结体，这种烧结体包含20～65vol％的cBN，34～80vol％的Al2O3以及1～6vol％ZrO2和Zr的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和硼氮化物及其固溶体中的至少一种。混合粉末在5.5～7GPa的超高压下烧结获得cBN烧结体。专利CN101583451B公开了一种cBN烧结体，这种cBN烧结体含有50～90vol％或者40～85vol％的cBN，9～50vol％Al2O3和ZrO2，并且氧化锆和氧化铝的比值在0.1～4以及1～20vol％的TiC。烧结温度为1200～1950℃，烧结压力为4～7GPa。以上的几种方法存在烧结时间长，能耗大；烧结压力大，设备复杂，制造成本高；原料组分多，工艺复杂；复合材料的性能不够理想等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的Al2O3基复合刀具材料及其制备工艺上存在的问题，提供一种Al2O3-ZrO2-cBN复合陶瓷刀具材料及其制备方法。采用纳米Al2O3作为基体，由Y2O3稳定的纳米ZrO2为增韧相，添加一定量的微米级的cBN粉末，以提高了复合材料的硬度、耐磨性和导热性，进而获得高性能的Al2O3-ZrO2-cBN复合陶瓷刀具材料。本专利技术的复合陶瓷刀具材料，含有成分及其体积百分数为Al2O3∶80～90％，ZrO2∶5～15％，cBN∶3～10％，Al2O3、ZrO2和cBN的体积百分数之和为100％。专利技术的复合陶瓷刀具材料，其相对密度为99.0～99.6％，硬度为19～22GPa，抗弯强度为520～710MPa，断裂韧性为8～11MPa·m1/2。本专利技术的复合陶瓷刀具材料，其微观组织中，氧化锆全部为四方相，氮化硼为立方相。本专利技术的复合陶瓷刀具材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1，准备原料粉末：按复合陶瓷刀具材料的成分，称取Al2O3粉末、ZrO2粉末和cBN粉末；其中，Al2O3粉末粒度为0.08～0.15μm；ZrO2粉末粒度为0.02～0.08μm；cBN粉末粒度为0.1～5μm；步骤2，配置分散剂溶液：将柠檬酸铵和/或聚丙烯酸氨，溶于水中制成分散剂溶液；其中：柠檬酸铵占粉末质量和的0.2～0.6％，聚丙烯酸铵占粉末质量和的0.15～0.7％；步骤3，制备Al2O3-ZrO2-cBN的混合粉末：(1)将Al2O3粉末、ZrO2粉末、cBN粉末和分散剂溶液，球磨混料，制得混合物料；(2)将混合物料，干燥，制得Al2O3-ZrO2-cBN的混合粉末；步骤4，热压烧结：将混合粉末，在真空或惰性气体气氛下热压烧结，烧结温度为1300～1500℃，热压压力为35～54MPa，热压时间为10～30min，制得Al2O3-ZrO2-cBN复合陶瓷刀具材料。所述步骤1中，ZrO2粉末为Y2O3稳定的ZrO2粉末。所述步骤2中，粉末质量和是指，步骤1中的Al2O3粉末、ZrO2粉末和cBN粉末三者质量之和。所述步骤2中，水的体积的选取按照配制步骤1中所称取的粉末的固含量的20～30％计算，即：Al2O3粉末、ZrO2粉末和cBN粉末的体积和：(Al2O3粉末、ZrO2粉末和cBN粉末的体积和+水的体积)＝20～30％。所述步骤3(1)中，球磨混料采用氧化铝磨球，球磨混料时间为12～36h。所述步骤3(2)中，干燥温度为80～120℃，干燥时间为12～36h。所述步骤4中，真空条件是指真空度＜10-2Pa。所述步骤4中，惰性气氛为氩气气氛，气体流量为1～5L/min。本专利技术的复合陶瓷刀具材料及其制备方法，与现有技术相比，有益效果为：(1)本专利技术方法通过添加由Y2O3稳定的ZrO2以起到增韧的作用，通过添加一定量的cBN，避免了cBN烧结需要的高温高压条件，并且起到提高复合材料的硬度，耐磨性和导热性的作用；另外，添加cBN还能起到抑制Al2O3和ZrO2晶粒长大，进而起到增强增韧的结果；(2)本专利技术方法通过选择合适的分散剂以及最佳的分散剂用量解决了混料过程中纳米尺寸粉末的团聚问题，通过选择合适的球磨工艺解决了各种粉末的均匀混合问题，制备出了各相均匀分布的Al2O3-ZrO2-cBN复合刀具材料；(3)本专利技术方法制备的Al2O3-ZrO2-cBN复合刀具材料中氧化锆全部为四方相，氮化硼仍保持立方相。(4)本专利技术方法制备的Al2O3-ZrO2-cBN复合陶瓷刀具材料具有制备工艺简单，韧性好，综合机械性能高，切削性能优异的特点。在生产应用中，能大大减少制备时间，简化制备工艺，节约能源，提高生产效率，降低生产成本，提高切削性能，延长使用寿命，提高加工效率，节约成本，可用于加工淬火钢、高温合金等难加工材料。如图说明图1本专利技术实施例1制备的复合陶瓷刀具材料的X射线衍射图谱；图2本专利技术实施例1制备的复合陶瓷刀具材料的扫描电子显微镜照片。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做详细说明，但本专利技术的保护范围不仅限于下述实施例。实施例1一种复合陶瓷刀具材料，含有成分及其体积百分数为Al2O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合陶瓷刀具材料，其特征在于，含有成分及其体积百分数为Al2O3：80～90％，ZrO2：5～15％，cBN：3～10％，Al2O3、ZrO2和cBN的体积百分数之和为100％。

【技术特征摘要】
1.一种复合陶瓷刀具材料，其特征在于，含有成分及其体积百分数为Al2O3：80～90％，ZrO2：5～15％，cBN：3～10％，Al2O3、ZrO2和cBN的体积百分数之和为100％。2.根据权利要求1所述的复合陶瓷刀具材料，其特征在于，所述复合陶瓷刀具材料的相对密度为99.0～99.6％，硬度为19～22GPa，抗弯强度为520～710MPa，断裂韧性为8～11MPa·m1/2。3.根据权利要求1所述的复合陶瓷刀具材料，其特征在于，其微观组织中，氧化锆全部为四方相，氮化硼为立方相。4.权利要求1所述的复合陶瓷刀具材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，准备原料粉末：按复合陶瓷刀具材料的成分，称取Al2O3粉末、ZrO2粉末和cBN粉末；其中，Al2O3粉末粒度为0.08～0.15μm；ZrO2粉末粒度为0.02～0.08μm；cBN粉末粒度为0.1～5μm；步骤2，配置分散剂溶液：将柠檬酸铵和/或聚丙烯酸氨，溶于水中制成分散剂溶液；其中：柠檬酸铵占粉末质量和的0.2～0.6％，聚丙烯酸铵占粉末质量和的0.15～0.7％；步骤3，制备Al2O3-ZrO2-cBN的混合粉末：(1)将Al2O3粉末、Zr...

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