一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用，属于陶瓷材料技术领域。本发明专利技术提供的高强高导热氮化硅陶瓷刀具，按质量百分比计，制备所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括70～90％的α

【技术实现步骤摘要】
一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及陶瓷材料
，尤其涉及一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]高温合金按基体元素进行分类，主要为铁基、镍基、钴基等高温合金。镍基高温合金具有较高的硬度、优良的高温强度、热稳定性及抗热疲劳性能，在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，主要用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件，因此它广泛应用于航空航天、船舶、核工业、电站等行业。目前对高温合金进行加工的方式主要为切削加工，但是由于高温合金具有高强高硬性和良好的高温稳定性，使得高温合金在切削加工过程中需要很大的切削力，导致切削过程中的温度很高，最高可达1000℃左右，从而导致切削的刀具加工硬化严重，塑性变形大，刀具易磨损，需要频繁的更换刀具，不仅增加了生产成本，同时容易影响切削效果。
[0003]近年来，氮化硅陶瓷刀具由于具有较高的硬度，强度，断裂韧性，较小的膨胀系数，耐高温以及自然界取之不尽的硅、氮等元素，在现代化加工领域得到广泛地应用。而氮化硅陶瓷材料的性能取决于其微观结构，科学家通过添加助剂和改变烧结方式改变其微观结构，美国专利US7968484中采用热压的方法通过对烧结助剂的调整以及添加贝塔氮化硅晶种得到由β氮化硅相和晶界相组成的陶瓷材料，室温下抗弯强度为1000MPa，断裂韧性为9MPa/m2，然而这种方法生产的陶瓷材料的硬度不高，导热性能也较差，在刀具的应用上无法满足一般要求，在高速切削过程中磨损很快，使得刀具的使用寿命降低，更换频繁。
[0004]因此，提供一种强度高、导热性能好、使用寿命长的陶瓷刀具，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用，本专利技术提供的强高导热氮化硅陶瓷刀具具有强度和硬度高，断裂韧性好，同时切削性能优异，使用寿命长的优点。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具，按质量百分比计，制备所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括70～90％的α
‑
Si3N4粉末，0.5～1％的β
‑
Si3N4晶种，2～5％的稀土氧化物，5～10％的具有金属镀层的金刚石和余量的烧结助剂。
[0008]优选地，所述β
‑
Si3N4晶种的长径比为(2～5)：1。
[0009]优选地，所述稀土氧化物包括Y2O3、La2O3、Yb2O3、Sc2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Lu2O3、Tb2O3和Tm2O3中的至少一种。
[0010]优选地，所述具有金属镀层的金刚石中金刚石的粒径为10～100μm。
[0011]优选地，所述具有金属镀层的金刚石中金属镀层的材质为Ni或Ti，所述金属镀层
的厚度为50～300nm。
[0012]优选地，所述烧结助剂包括MgO、Al2O3和AlN中的至少一种。
[0013]本专利技术提供了上述技术方案所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)将高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料混合后进行球磨，得到混合物；
[0015](2)将所述步骤(1)得到的混合物依次进行热压烧结和退火处理，得到高强高导热氮化硅陶瓷刀具。
[0016]优选地，所述步骤(2)中热压烧结的压力为10～50MPa，热压烧结的温度为1400～1900℃，热压烧结的时间为20～180min。
[0017]优选地，所述步骤(2)中退火处理的温度为950～1200℃，退火处理的时间为30～120min。
[0018]本专利技术提供了上述技术方案所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具或上述技术方案所述制备方法制备得到的高强高导热氮化硅陶瓷刀具在切削硬质合金中的应用。
[0019]本专利技术提供了一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具，按质量百分比计，制备所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括70～90％的α
‑
Si3N4粉末，0.5～1％的β
‑
Si3N4晶种，2～5％的稀土氧化物，5～10％的具有金属镀层的金刚石和余量的烧结助剂。本专利技术以α
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Si3N4粉末作为陶瓷的基体原料，通过加入少量的β
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Si3N4晶种，可以促进α
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Si3N4粉末在烧结过程中向β
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Si3N4的转变，从而有效提高了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；稀土氧化物和烧结助剂可以减少晶界相，进一步促进α
‑
Si3N4向β
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Si3N4的转变，从而提高陶瓷材料的导热性和韧性，同时起到助烧结的作用，不仅可以降低烧结温度，还能提高陶瓷材料的致密性；通过加入一定量的金刚石能够提高氮化硅陶瓷刀具的切削性能，从而提高刀具的使用寿命；通过在金刚石表面镀一层金属层，能够防止金刚石在高温下石墨化，从而保证刀具的切削性能，同时能够提高金刚石与氮化硅的界面结合强度，从而提高刀具的使用寿命。实施例的结果显示，本专利技术提供的高强高导热氮化硅陶瓷刀具的抗弯强度超过1100MPa，断裂韧性超过11.5MPa/m2，维氏硬度超过18GPa。
具体实施方式
[0020]本专利技术提供了一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具，按质量百分比计，制备所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括70～90％的α
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Si3N4粉末，0.5～1％的β
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Si3N4晶种，2～5％的稀土氧化物，5～10％的具有金属镀层的金刚石和余量的烧结助剂。
[0021]本专利技术对制备所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料的具体来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或者自行制备均可。
[0022]按质量百分比计，制备本专利技术所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括70～90％的α
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Si3N4粉末，优选为75～85％，更优选为80％。在本专利技术中，所述α
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Si3N4粉末的粒径优选为0.1～5μm，更优选为0.5～4μm，进一步优选为1～3μm。本专利技术采用α
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Si3N4粉末作为基体原料，可以在高温烧结时转变为长柱状的β
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Si3N4，从而提高陶瓷刀具的致密性，进而提高其强度和硬度，延长了氮化硅陶瓷刀具在高速干式切削时的使用寿命；通过控制α
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Si3N4粉末的用量和粒径，可以进一步提高陶瓷刀具的强度和硬度。
[0023]按质量百分比计，制备本专利技术所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括0.5～1％的β
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Si3N4晶种，优选为0.6～0.8％。在本专利技术中，所述β
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Si3N4晶种的长径比优选为(2～5)：1，更优选为(3～4)：1；所述β
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具，按质量百分比计，制备所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括70～90％的α
‑
Si3N4粉末，0.5～1％的β
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Si3N4晶种，2～5％的稀土氧化物，5～10％的具有金属镀层的金刚石和余量的烧结助剂。2.根据权利要求1所述的高强高导热氮化硅陶瓷刀具，其特征在于，所述β
‑
Si3N4晶种的长径比为(2～5)：1。3.根据权利要求1所述的高强高导热氮化硅陶瓷刀具，其特征在于，所述稀土氧化物包括Y2O3、La2O3、Yb2O3、Sc2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Lu2O3、Tb2O3和Tm2O3中的至少一种。4.根据权利要求1所述的高强高导热氮化硅陶瓷刀具，其特征在于，所述具有金属镀层的金刚石中金刚石的粒径为10～100μm。5.根据权利要求1所述的高强高导热氮化硅陶瓷刀具，其特征在于，所述具有金属镀层的金刚石中金属镀层的材质为Ni或...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾小锋，朱福林，肖亮，钱利洪，聂蓉，
申请(专利权)人：衡阳凯新特种材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：