一种氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用技术

本申请属于陶瓷材料的技术领域，尤其涉及一种氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用，本申请提供的氮化硅陶瓷刀具的制备方法，通过光固化含氮化硅粉体的陶瓷浆料，可制备带有高精度的圆弧刀刃、断屑槽、表面花纹等复杂形状的氮化硅陶瓷刀具，减小了切削阻力，提高了切削效率；通过在氮化硅粉体中掺杂烧结助剂，能有效提高氮化硅陶瓷的断裂韧性和强度，本申请提供的氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用，能有效解决现有技术中无法制备带有用于提高切削效率的高精度的断屑槽、表面花纹结构的氮化硅陶瓷刀具以及氮化硅陶瓷刀具制备成本高、使用寿命短的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用
本申请属于陶瓷材料的
，尤其涉及一种氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用。
技术介绍
氮化硅陶瓷具有较高的硬度、耐磨性，是理想高温结构材料之一，因此，氮化硅陶瓷刀具能够很好地加工灰铸铁和镍基高温合金。现有氮化硅陶瓷刀具的成型和烧结流程分为两类，一种是将氮化硅陶瓷热压烧结成固定形状，然后通过后期机械加工成具有某种形状的氮化硅陶瓷刀具；另一种是将氮化硅陶瓷粉末通过等静压的方式成型，然后通过无压烧结或者气压烧结的方式烧结，最后通过机械加工而获到氮化硅陶瓷刀具。在现有制备氮化硅陶瓷刀具的过程中，由于氮化硅陶瓷的硬度高、耐磨性较好，导致常规的机械加工工艺无法制备带有圆弧刀刃、断屑槽、表面花纹等复杂形状的氮化硅陶瓷刀具。这些常规的陶瓷刀具制备方法不仅加工余量大，加工效率低、成本高；而且制备的陶瓷刀具的精度低，不带有断屑槽，导致刀具寿命很短。现有氮化硅陶瓷刀具高速干式削切时，常因为氮化硅陶瓷刀具韧性不够而断裂，导致氮化硅陶瓷刀具使用寿命短。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供了一种氮化硅陶瓷刀具及其制备方法，用于解决现有技术中无法制备带有用于提高切削效率的高精度的断屑槽、表面花纹结构的氮化硅陶瓷刀具以及氮化硅陶瓷刀具制备成本高、使用寿命短的技术问题。本申请第一方面提供了一种氮化硅陶瓷刀具的制备方法，包括步骤：步骤一，将氮化硅粉体与烧结助剂混合球磨并干燥过筛得到混合粉体；步骤二，将所述混合粉体、光固化树脂、光引发剂和分散剂利用均质机混合，得到光固化氮化硅陶瓷浆料；步骤三，将刀具3D模型输入计算机中，利用软件对模型进行切片，对所述光固化氮化硅陶瓷浆料进行光固化成型，得到成型刀具坯体；步骤四，将所述成型刀具坯体进行脱脂和烧结，得到带有断屑槽、表面花纹结构的氮化硅陶瓷刀具；所述烧结助剂为MxOy和Re2O3；所述MxOy选自Al2O3或MgO；所述Re2O3中Re选自Y、La、Yb、Sc、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Lu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。优选的，所述混合粉体中，氮化硅粉体、MxOy和Re2O3的质量比为(85-96)：(1-5)：(3-10)。优选的，还包括步骤五，通过物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺在氮化硅陶瓷刀具表面制备涂层；优选的，所述涂层包括Al2O3、TiCN、TiC、TiN、TiAlN、TiB2和TiAlCrN涂层中的一种或多种。优选的，所述脱脂具体为将所述成型刀具坯体置于空气气氛排胶炉中，0.2-5℃/min的速率升温至400-500℃，保温1-3h脱脂。优选的，所述烧结具体为将所述成型刀具坯体置于气氛烧结炉中，在气压为0.1-0.2MPa的条件下，以1-10℃/min的速率升温至1600-1950℃并保温1-5h烧结；所述气氛烧结炉为氮气或氩气烧结炉。优选的，所述烧结具体方法为：将刀具坯体置于气压烧结炉中，通入氮气或氩气，气压为1-20MPa，以1-10℃/min的速率升温至1600-1950℃并保温1-5h。优选的，，所述烧结具体为将所述成型刀具坯体置于气氛烧结炉中，在气压为0.1-0.2MPa的条件下，以1-10℃/min的速率升温至1600-1950℃并保温1-5h烧结，将气氛烧结后的所述成型刀具坯体置于热等静压炉中烧结，通入氮气或氩气，在气压为100-200MPa的条件下，以1-10℃/min的速率升温至1600-1950℃，保温时间30min-150min。优选的，所述烧结为微波烧结或放电等离子烧结。本申请第二方面提供了一种氮化硅陶瓷刀具。本申请第三方面提供了氮化硅陶瓷刀具在切削高温合金和灰铸铁中的应用。本申请具有以下有益效果。1、与常规陶瓷制造工艺制备氮化硅陶瓷刀具相比，本申请通过光固化3D打印成型可以制备常规的机械加工工艺无法制备带有圆弧刀刃、断屑槽、表面花纹等复杂形状的氮化硅陶瓷刀具。2、本申请通过光固化3D打印成型提高了复杂形状的氮化硅陶瓷刀具的精度，且减少了后期的加工余量，减少了加工时间，提高了效率，降低了制造成本。3、本申请在氮化硅粉体中掺杂Al2O3和Re2O3(Re＝Y、La、Yb、Sc、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Lu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm)二种或二种以上复合烧结助剂或MgO和Re2O3二种或二种以上复合烧结助剂，在高温烧结中可以促使氮化硅陶瓷刀具中等轴状的α-Si3N4向长柱状β-Si3N4转变，能够有效提高氮化硅陶瓷刀具的致密度、硬度、断裂韧性和耐磨性，延长了氮化硅陶瓷刀具在高速干式削切时的使用寿命。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本申请实施例制备得到的氮化硅陶瓷刀具结构图。图2为图1的A-A面剖视图。图1中，1-车刀本体，2-圆弧刃，3-断屑槽，4-装配圆孔。具体实施方式本申请提供了一种氮化硅陶瓷刀具及其制备方法，用于解决现有技术中无法制备带有用于提高切削效率的高精度的断屑槽、表面花纹结构的氮化硅陶瓷刀具以及氮化硅陶瓷刀具制备成本高、使用寿命短的技术问题。下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。实施例1：步骤一，将45g氮化硅粉体与烧结助剂2.5gAl2O3、1.25gY2O3和1.25gLa2O3加入到乙醇中混合，球磨2h，球磨转速为350r/min，并进行超声分散。利用旋转蒸发干燥浆料后，过100目筛，获得均匀分散的混合粉体；需要说明的是，本申请中烧结助剂Al2O3、Y2O3和La2O3加入提高了氮化硅陶瓷刀具的致密度、硬度和断裂韧性；步骤二，将混合粉体与20g树脂1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯(PPTTA)、0.3g苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦和0.1g分散剂BYK9077在均质机中以3000r/min的速度混合，获得均匀分散的氮化硅陶瓷浆料；步骤三，所将获得的浆料置于光固化成型设备中，由计算机对刀具零件图进行切片处理，对浆料进行逐层固化叠加处理，最后得到成型刀具坯体；需要说明的是，本申请中使用DLP增材制造技术制备陶瓷刀具；步骤五，将成型刀具坯体置于空气气氛排胶炉中，以0.5℃/min的速率升温到500℃保温3h。步骤六，将脱脂后的成型刀具坯体进行烧结，烧结的方法为：在氮气或氩气气氛下，以2℃/min的速率升温到1200℃，以1℃/min速率升温到1600℃，最后以1℃/min升温到1850℃保温2h，在降温阶段以1℃/mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化硅陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一，将氮化硅粉体与烧结助剂混合球磨并干燥过筛得到混合粉体；/n步骤二，将所述混合粉体、光固化树脂、光引发剂和分散剂利用均质机混合，得到光固化氮化硅陶瓷浆料；/n步骤三，将刀具3D模型输入计算机中，利用软件对模型进行切片，对所述光固化氮化硅陶瓷浆料进行光固化成型，得到成型刀具坯体；/n步骤四，将所述成型刀具坯体进行脱脂和烧结，得到带有断屑槽、表面花纹结构的氮化硅陶瓷刀具；/n所述烧结助剂为M

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将氮化硅粉体与烧结助剂混合球磨并干燥过筛得到混合粉体；
步骤二，将所述混合粉体、光固化树脂、光引发剂和分散剂利用均质机混合，得到光固化氮化硅陶瓷浆料；
步骤三，将刀具3D模型输入计算机中，利用软件对模型进行切片，对所述光固化氮化硅陶瓷浆料进行光固化成型，得到成型刀具坯体；
步骤四，将所述成型刀具坯体进行脱脂和烧结，得到带有断屑槽、表面花纹结构的氮化硅陶瓷刀具；
所述烧结助剂为MxOy和Re2O3；
所述MxOy选自Al2O3或MgO；
所述Re2O3中Re选自Y、La、Yb、Sc、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Lu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合粉体中，氮化硅粉体、MxOy和Re2O3的质量比为(85-96)：(1-5)：(3-10)。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤五，通过物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺在氮化硅陶瓷刀具表面制备涂层；
所述涂层包括Al2O3、TiCN、TiC、TiN、TiAlN、TiB2和TiAlCrN涂层中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱脂具体为将所述成型刀具坯体置于空气气氛排胶炉中，以0.2-5℃/min的速率升温至400-500℃，保温1-3h脱脂。...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍尚华，邹文劲，杨平，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44