專(zhuān)利名稱(chēng)：一種逐層嵌套梯度功能陶瓷刀具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種梯度功能陶瓷刀具及其制備方法，屬于陶瓷刀具材料技術(shù)領(lǐng)域，
背景技術(shù)：
AlMgB14是一種新型超硬耐磨硼化物，具有高硬度、低摩擦系數(shù)的特點(diǎn)，以其為基 體制備的陶瓷刀具具有高的硬度、耐磨性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，較適合于加工鈦合 金，然而其本身的脆性限制了其應(yīng)用范圍，而且其強(qiáng)度也較低。國(guó)內(nèi)外研究人員和刀具生產(chǎn) 廠家一般采用向AlMgB14基體中添加增韌強(qiáng)化相的方法提高其力學(xué)性能，如添加A1N、 TiC、 TiB2等，其中添加TiB2的增韌補(bǔ)強(qiáng)效果最好。然而這些增韌強(qiáng)化方法的效果是有限度的， 仍不能滿(mǎn)足高效切削加工難加工材料如鈦合金等的要求。梯度功能材料是二十世紀(jì)八十年 代中后期發(fā)展起來(lái)的一種組分和性能均連續(xù)變化的新型復(fù)合材料，具有優(yōu)異的隔熱、防熱 和緩和熱應(yīng)力的功能。二十一世紀(jì)初，梯度功能陶瓷應(yīng)用在切削刀具中，使得刀具具有內(nèi)韌 外硬的特性。然而，目前的梯度功能陶瓷刀具如圖1所示，為三明治式結(jié)構(gòu)，三層或者更多 層疊加在一起，這種結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)在切削的時(shí)候，刀尖處只有沿前刀面向下為梯度功 能結(jié)構(gòu)，而沿主后刀面和副后刀面向刀具芯部則不具備梯度功能結(jié)構(gòu)，使得由前刀面、主后 刀面和副后刀面構(gòu)成的刀尖處仍易產(chǎn)生崩刃。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有三明治式結(jié)構(gòu)的梯度功能陶瓷刀具存在的易產(chǎn)生崩刃等不足，提 供一種可靠性更高、抗磨損、抗破損、不易崩刃的梯度功能陶瓷刀具，同時(shí)提供一種該梯度 功能陶瓷刀具的制備方法。 本發(fā)明的逐層嵌套梯度功能陶瓷刀具采用以下技術(shù)方案 該梯度功能陶瓷刀具至少包括三層AlMgB14和TiB2兩種材料的復(fù)合物，各層復(fù)合 物由里向外逐層分布，每一層中兩種材料的質(zhì)量比均不同，由芯部層至表層的各個(gè)方向上 AlMgB14的含量逐漸增加，刀具的前刀面、主后刀面和副后刀面均是芯部層的AlMgB14含量最 低，而表層的AlMgB14含量最高。 上述逐層嵌套梯度功能陶瓷刀具的制備方法，包括以下步驟
首先采用濕法工藝分散混料，配制至少三種不同質(zhì)量比的AlMgBM和TiB2的復(fù)合 粉，然后將每種復(fù)合粉進(jìn)行真空干燥和過(guò)180目篩，按照AlMgB14的含量從低到高的順序在 石墨模具中進(jìn)行粉末由里向外的逐層鋪展(每層的層厚和復(fù)合粉質(zhì)量根據(jù)待加工工件的 材料和加工工藝優(yōu)化確定)及預(yù)壓；最后采用真空熱壓燒結(jié)。 真空熱壓燒結(jié)的熱壓燒結(jié)壓力為100Mpa 110Mpa、燒結(jié)溫度范圍為1400°C 150(TC、保溫時(shí)間為60分鐘。 本發(fā)明由于采用三層以上由里向外逐層分布的嵌套結(jié)構(gòu)，使刀具的前刀面、主后 刀面和副后刀面結(jié)構(gòu)和材料含量一致，沿刀尖到刀具芯部各方向均為梯度結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了陶 瓷刀具的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，使表面平均硬度達(dá)到36Gpa左右，斷裂韌度達(dá)到7, 4MPa V^左右，均高于相同材料體系的普通陶瓷刀具材料和傳統(tǒng)三明治式結(jié)構(gòu)的梯度功能陶瓷刀具， 適于加工鈦合金Ti-6Al-4V，尤其是在高速切削條件下，刀具壽命比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)梯度功能陶瓷 刀具提高20 30%，而成本與其相當(dāng)；比硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)效率提高80 120%，表面 質(zhì)量提高一個(gè)等級(jí)。


圖1是現(xiàn)有三明治式結(jié)構(gòu)的梯度功能陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明制備的方形(包含菱形)梯度功能陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明制備的圓柱形梯度功能陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面以制備三層結(jié)構(gòu)的用于高速切削加工鈦合金材料的梯度功能陶瓷刀具的方 法對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。該用于切削加工鈦合金材料的三層結(jié)構(gòu)梯度功能陶瓷刀具的制備 方法包括以下步驟 (1)采用濕法工藝混料，將AlMgB14和TiB2兩種材料配制三種不同混合比的復(fù)合 粉，AlMgBM和TiB2的質(zhì)量百分比分別為60 : 40、65 : 35和70 : 30，這三種復(fù)合粉的編 號(hào)分別為A、B、C，然后真空干燥、過(guò)180目篩。 (2)按質(zhì)量百分比36.4 : 26. 5 : 37. 1分別稱(chēng)取復(fù)合粉A、 B、 C。
(3)將稱(chēng)取的復(fù)合粉按A、B、C順序在石墨模具中進(jìn)行粉末的疊層填充(由刀具芯 部逐層沿前刀面、主后刀面和副后刀面向外填充)并預(yù)壓?？梢灾瞥蓤D2所示的方形(包 含菱形)刀具(材料成分由里向外沿各向梯度分布)，也可制成圖3所示的圓柱形刀具(各 層成分由里向外沿軸向和徑向梯度分布)。 (4)在1400°C 150(TC的燒結(jié)溫度及107MPa壓力下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，并進(jìn)行真空 保護(hù)，保溫60分鐘，然后隨爐冷卻。得到的刀具呈軸向和徑向多層結(jié)構(gòu)，各種成分呈由下 到上，由里到外過(guò)渡，AlMgBM含量同時(shí)從底層到表層、從內(nèi)層到外層逐層增加，中心位置的 AlMgB14含量最低，而表面的AlMgB14含量最高。 按照上述方法也可得到更多層由里向外嵌套結(jié)構(gòu)的梯度功能陶瓷刀具，或者是制 成上下及徑向都對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的梯度功能陶瓷刀具。
權(quán)利要求
一種逐層嵌套梯度功能陶瓷刀具，至少包括三層AlMgB14和TiB2兩種材料的復(fù)合物，其特征是各層復(fù)合物由里向外逐層分布，每一層中兩種材料的質(zhì)量比均不同，由芯部層至表層AlMgB14的含量逐漸增加，刀具的前刀面、主后刀面和副后刀面均是芯部層的AlMgB14含量最低，而表層的AlMgB14含量最高。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的逐層嵌套梯度功能陶瓷刀具，其特征是所述每層的層厚和 復(fù)合粉質(zhì)量根據(jù)待加工工件的材料和加工工藝優(yōu)化確定。
3. —種權(quán)利要求1所述逐層嵌套梯度功能陶瓷刀具的制備方法，其特征是包括以下步驟首先采用濕法工藝分散混料，配制至少三種不同質(zhì)量比的AlMgBM和TiB2的復(fù)合粉，然 后將每種復(fù)合粉進(jìn)行真空干燥和過(guò)180目篩，按照AlMgB14的含量從低到高的順序在石墨模 具中進(jìn)行粉末由里向外的逐層鋪展及預(yù)壓；最后采用真空熱壓燒結(jié)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述逐層嵌套梯度功能陶瓷刀具的制備方法，其特征是所述真空 熱壓燒結(jié)的熱壓燒結(jié)壓力為100Mpa-110Mpa、燒結(jié)溫度范圍為1400°C 150(TC、保溫時(shí)間 為60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種逐層嵌套梯度功能陶瓷刀具及其制備方法。該梯度功能陶瓷刀具至少包括三層AlMgB14和TiB2兩種材料的復(fù)合物，各層復(fù)合物由里向外逐層分布，每一層中兩種材料的質(zhì)量比均不同，由芯部層至表層AlMgB14的含量逐漸增加，刀具的前刀面、主后刀面和副后刀面均是芯部層的AlMgB14含量最低，而表層的AlMgB14含量最高。制備方法是配制至少三種不同質(zhì)量比的AlMgB14和TiB2的復(fù)合粉，然后將每種復(fù)合粉進(jìn)行真空干燥和過(guò)篩，按照AlMgB14的含量從低到高的順序在石墨模具中進(jìn)行粉末由里向外的逐層鋪展及預(yù)壓；最后采用真空熱壓燒結(jié)。本發(fā)明采用逐層嵌套結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了陶瓷刀具的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，刀具壽命比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)梯度功能陶瓷刀具提高20～30％。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101786883SQ200910256570
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者萬(wàn)熠, 劉戰(zhàn)強(qiáng), 劉繼剛, 黃傳真 申請(qǐng)人:山東大學(xué)