一种连续梯度刀具材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种连续梯度刀具材料及其制备方法，所述方法包括：将钛合金与陶瓷增强体按照不同配比混合分别制备多组混合粉体；将多组所述混合粉体分别与溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂混合制得多组流延浆料，采用流延成型工艺制备多组生带；将所述生带叠层设置并模压成型，制得生坯，其中，所述生带按照由中间至两侧陶瓷增强体含量逐渐增加的方式叠层设置；将所述生坯进行热压烧结，制得连续梯度刀具材料。本发明专利技术通过流延成型以及热压烧结制备出一种简单高效、适合大规模生产的具有表硬芯韧结构的连续梯度刀具材料，提高刀具使用寿命和拓宽使用领域。宽使用领域。宽使用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种连续梯度刀具材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，具体而言，涉及一种连续梯度刀具材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金凭借其具有高比强度、无磁性、优异的生物相容性等优点已经广泛应用于生物医疗器械领域，尤其是骨科、矫形外科、心脑血管等对医疗器械要求较高的领域。然而，钛合金的耐磨性和抗腐蚀性较差，作为医疗器械在人体生理环境使用过程中会加快钛合金的腐蚀和磨损，降低医疗器械的使用寿命。因此，以高性能钛合金为基体，通过外加或者反应生成一种或多种陶瓷增强相制备出钛基复合材料，具有高比强度、高比刚度、耐磨损以及良好的耐腐蚀性能等优点，使其应用领域不断拓宽，尤其在医疗刀具中的使用日益广泛。
[0003]梯度材料是指组织性能在某一方向上发生变化的复合材料，其凭借性能渐变和可设计性的特点，可以适应各类使用服役条件，具有均质材料所无法比拟的优点，目前已广泛应用于医疗器械领域。
[0004]梯度材料的制备方法包括粉末冶金、激光熔覆、等离子喷涂等，其中最常用的就是粉末冶金工艺。目前钛基梯度刀具材料主要是利用粉末冶金+模压的方法，其缺点一方面是铺粉过程中层厚可控制性较差，导致梯度结构的设计性较差，而刀具材料对厚度要求较高，尤其是医疗刀具的厚度一般较薄，不同于厚度较大的板材等常规材料，另一方面是层间界面明显，界面热应力严重，当梯度成分从高陶瓷增强体含量到高金属含量变化时，其内部大跨度的层与层之间的界面处存在着明显的阶跃变化，会导致应力波传播到此处时，产生较大的反射拉伸波，严重破坏其结构，并且在层间界面处的热应力会集中加大，致使热应力在层界面传递，导致其界面处结合较弱进而导致材料快速失效断裂。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的问题是梯度刀具材料层间界面处存在着明显的阶跃变化和高的界面应力，导致界面处结合较弱，材料易失效断裂。
[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种连续梯度刀具材料的制备方法，包括：
[0007]将钛合金与陶瓷增强体按照不同配比混合分别制备多组混合粉体；
[0008]将所述混合粉体与溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂混合制得多组流延浆料，采用流延成型工艺制备多组生带；
[0009]将所述生带叠层设置并模压成型，制得生坯，其中，所述生带按照由中间至两侧陶瓷增强体含量逐渐增加的方式叠层设置；
[0010]将所述生坯进行热压烧结，制得连续梯度刀具材料。
[0011]较佳地，所述粘结剂为聚碳酸丙烯脂。
[0012]较佳地，所述聚碳酸丙烯脂的含量为所述混合粉体的5
‑
10wt.％。
[0013]较佳地，将所述生带叠层设置并模压成型后还包括：排胶，所述排胶工艺为：在真
空或惰性气氛下，以0.1
‑
0.3℃/min的速率升温至450
‑
650℃，并保温1
‑
3h，以排出所述粘结剂。
[0014]较佳地，所述溶剂为甲苯、丁酮和乙醇的混合溶液，其中，所述甲苯、所述丁酮和所述乙醇的体积比为1
‑
3:1
‑
3:1
‑
3；
[0015]所述分散剂为蓖麻油、甘油三油酸酯和聚乙烯吡咯烷酮中的一种；和/或，
[0016]所述增塑剂为聚乙二醇400、邻苯二甲酸二丁酯和乙二酸二乙酯中的一种。
[0017]较佳地，所述溶剂的体积含量为70
‑
80％、所述分散剂的含量为混合粉体的1
‑
3wt.％、和/或所述增塑剂的含量为混合粉体的5
‑
10wt.％。
[0018]较佳地，所述生带叠层设置时，由中间至两侧每层生带的陶瓷增强体含量以5
‑
10vol.％梯度增加，且最外层生带中陶瓷增强体含量为50
‑
70vol.％。
[0019]较佳地，所述热压烧结的工艺为以10℃/min的速率升温达到700
‑
900℃，逐步加压至12.6KN后保压，后以5℃/min的速率升温至1250
‑
1450℃，保温1
‑
2h。
[0020]较佳地，所述将钛合金与陶瓷增强体按照不同配比混合分别制备多组混合粉体包括：
[0021]将所述钛合金和所述陶瓷增强体在惰性气氛中静置后，采用干法球磨工艺，制得所述混合粉体，其中所述干法球磨工艺为：球料比为3
‑
5:1，球磨转速为200
‑
300r/min，球磨时间为4
‑
6h。
[0022]本专利技术相较于现有技术的优势在于：
[0023]本专利技术利用流延成型工艺首先制备出多组分的生带，生带成分及厚度均可控，然后结合热压烧结技术，制备出成分连续分布的梯度复合材料，从根本上改变材料的层结构，内部层界面减小甚至消失，形成一个新整体，有效缓和材料内部应力，提高刀具材料的切削性能。
[0024]本专利技术采用聚碳酸丙烯脂为粘结剂，探究出合理的生带在真空或惰性气氛下的排碳工艺，解决金属粉体高温空气排碳过程的氧化和残炭问题，避免烧结过程中氧元素对材料性能的不利影响。
[0025]本专利技术还提供一种连续梯度刀具材料，采用如上所述的连续梯度刀具材料的制备方法制得。
[0026]本专利技术的连续梯度刀具材料，同时具有耐磨损耐腐蚀的刀具表面和高韧性高强度的刃部，具有良好的切削性能，延长了刀具的使用寿命。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例中连续梯度刀具材料的制备方法流程图；
[0028]图2为本专利技术实施例一中流延生带的实物图；
[0029]图3为本专利技术实施例一制备的连续梯度刀具材料的扫描电镜图；
[0030]图4为本专利技术实施例一制备的连续梯度刀具材料中陶瓷增强体的扫描电镜图；
[0031]图5为本专利技术实施例一制备的连续梯度刀具材料的硬度曲线。
具体实施方式
[0032]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术
的具体实施例做详细的说明。
[0033]请参阅图1所示，本专利技术实施例的一种连续梯度刀具材料的制备方法，包括：
[0034]将钛合金与陶瓷增强体按照不同配比混合分别制备多组混合粉体；
[0035]将混合粉体与溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂混合制得多组流延浆料，采用流延成型工艺制备多组生带；
[0036]将生带叠层设置并模压成型，制得生坯，其中，生带按照由中间至两侧陶瓷增强体含量逐渐增加的方式叠层设置；
[0037]将生坯进行热压烧结，制得连续梯度刀具材料。
[0038]本实施例首先按照不同的配比将钛合金与陶瓷增强体混合，得到不同配比成分的混合粉体，然后将多组混合粉体分别与溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等混合，得到具有不同配比成分的流延浆料，应当理解的是，每组浆料均是由混合粉体与溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂混合得到，由于混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续梯度刀具材料的制备方法，其特征在于，包括：将钛合金与陶瓷增强体按照不同配比混合分别制备多组混合粉体；将多组所述混合粉体分别与溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂混合制得多组流延浆料，采用流延成型工艺制备多组生带；将所述生带叠层设置并模压成型，制得生坯，其中，所述生带按照由中间至两侧陶瓷增强体含量逐渐增加的方式叠层设置；将所述生坯进行热压烧结，制得连续梯度刀具材料。2.根据权利要求1所述的连续梯度刀具材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚碳酸丙烯脂。3.根据权利要求2所述的连续梯度刀具材料的制备方法，其特征在于，所述聚碳酸丙烯脂的含量为所述混合粉体的5
‑
10wt.％。4.根据权利要求2或3所述的连续梯度刀具材料的制备方法，其特征在于，将所述生带叠层设置并模压成型后还包括：排胶，所述排胶工艺为：在真空或惰性气氛下，以0.1
‑
0.3℃/min的速率升温至450
‑
650℃，并保温1
‑
3h，以排出所述粘结剂。5.根据权利要求1所述的连续梯度刀具材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为甲苯、丁酮和乙醇的混合溶液，其中，所述甲苯、所述丁酮和所述乙醇的体积比为1
‑
3:1
‑
3:1
‑
3；所述分散剂为蓖麻油、甘油三油酸酯和聚乙烯吡咯烷酮中的一种；和/或，所述增塑剂为聚乙二醇400、邻苯二甲酸二丁酯和乙二酸二乙酯中的一种。6.根据权利要求4所述的连续梯度刀具...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶枫，张标，钟兆新，叶健，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：