專利名稱：一種復(fù)合稀土穩(wěn)定氧化鋯基多元納微米復(fù)合陶瓷工模具材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷工模具材料及其制備方法，特別涉及一種復(fù)合稀土穩(wěn)定氧化 鋯基多元納微米復(fù)合陶瓷工模具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
陶瓷刀具具有高的硬度和耐磨性，在高速切削和干切削時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性 能，是一類極具發(fā)展前途的刀具材料。但是，目前應(yīng)用的陶瓷刀具材料大多局限于微米復(fù)合 陶瓷，材料的力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度、韌性仍有待于進(jìn)一步提高。根據(jù)Hall-petch關(guān)系晶粒 尺寸越小，陶瓷材料的強(qiáng)度越高。因此，納米改性、納米微米復(fù)合陶瓷刀具材料的研究與開 發(fā)將是今后刀具材料發(fā)展的主要方向之一。目前已經(jīng)研究的納米復(fù)合陶瓷刀具材料主要包 括 Si3N4/TiNn、Si3N4/TiCn、Si3N4-Al2O3n-TiC-Y2O^Al203/TiC/SiCn、Al203/TiCn、Al203/Al203n/ SiCn、Al203/Ti(CQ.7Na3)n/SiCn、Al203/SiC/SiCn、Al203/TiC/TiNn 等，均具有比微米復(fù)合陶瓷刀 具材料更好的力學(xué)性能和切削性能。但到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)以陶瓷為基體的納米或 納微米復(fù)合陶瓷刀具材料的報(bào)道。另一方面，陶瓷材料的熱穩(wěn)定性和耐磨性極佳，是制造成形模具的理想材料，很具 有發(fā)展前景，但其韌性很差，因此還沒有在模具工業(yè)方面得到廣泛應(yīng)用。從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀來 看，陶瓷模具的研究尚處于研究開發(fā)階段，應(yīng)用于模具工業(yè)的陶瓷材料的種類很少、能應(yīng)用 的模具領(lǐng)域很窄，這方面的報(bào)道也極少。目前，陶瓷材料在各類模具中的應(yīng)用研究大多局限 于微米復(fù)合陶瓷材料，如增韌Al2O3基復(fù)合陶瓷ZTA拉絲模、TZP/TiC/Al203> Al2O3AiC 復(fù)合陶瓷拉絲模、(Ce-TZP)-Al2O3熱擠壓模具、3Y-TZP-A1203陶瓷拉拔模、PSZ陶瓷熱擠壓 模、Al2CVCr3C2/(W，Ti) C等。納米復(fù)合陶瓷在模具材料應(yīng)用方面的研究雖然較少，如復(fù)合 TZP陶瓷模具、AlA/Ti (C，N)等，但也取得了良好的效果。從已有的研究可以看出，納米復(fù)合尤其是納微米復(fù)合陶瓷的性能、價(jià)格優(yōu)勢(shì)沒能 在工模具領(lǐng)域得到充分發(fā)揮。就目前的總體情況來看，陶瓷工模具材料的種類、性能和應(yīng)用 范圍均有待于進(jìn)一步擴(kuò)大和提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種復(fù)合稀土穩(wěn)定氧化鋯基多元納微 米復(fù)合陶瓷工模具材料及其制備方法。本發(fā)明的復(fù)合陶瓷材料，是一種添加氧化釔和氧化鈰復(fù)合稀土元素的納米碳化鈦 和微米氧化鋁增強(qiáng)微米氧化鋯陶瓷工模具材料。 本發(fā)明技術(shù)方案如下一種納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，是以微米&02為基體，添加納米TiC和微米 α-Al2O3作為增強(qiáng)相，以氧化釔(Y2O3)和氧化鈰(CeO2)為穩(wěn)定劑，以微米鉬(Mo)、鎳(Ni) 和氧化鎂(MgO)作為燒結(jié)助劑，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成；原料組分體積百分比如下
TiC 10-30 %, α -Al2035_25 %, Υ2032_5 %, Ce023-10 %, Mo 2-4 %, Ni 2-6 %, MgOO. 5-1. 5%, ZrO2 余量。優(yōu)選的，所述TiC的體積百分比為15-25%。優(yōu)選的，所述Ci-Al2O3的體積百分比為10-20%，進(jìn)一步優(yōu)選8-15%。使用α -Al2O3較其他晶型的Al2O3所得工模具材料的力學(xué)性能最好。優(yōu)選的，所述Y2O3的體積百分比為2-4%。優(yōu)選的，所述CeO2的體積百分比為4-8%。優(yōu)選的，所述Mo的體積百分比為2-3 %。優(yōu)選的，所述Ni的體積百分比為3-5%。優(yōu)選的，所述MgO的體積百分比為0. 8-1. 2%。優(yōu)選的，上述各組分中，所用的原料均為市售產(chǎn)品，其中微米&02粉末、微米 α -Al2O3粉末和納米TiC粉末平均粒徑分別為&020 . 5 μ m，α -Al2O3I μ m, TiC 40nm,純度均 大于99%。最優(yōu)選的，本發(fā)明納微米復(fù)合陶瓷工模具材料的原料組分體積百分比如下49% ZrO2, 20% Ti (C,N)，15% α -Al2O3'3% Y2O3,6% CeO2, 3. 6% Ni, 2. 4% Mo, 1% MgO。本發(fā)明的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料的制備方法，組分比例如上所述，包括步驟 如下(1)按比例稱取&02微米粉末，加無水乙醇配成&02懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超聲分?20-30min ；(2)按比例稱取納米TiC粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑， 以TiC粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量為0. 2-1. Owt % ；加無水乙醇配成TiC懸浮液， 充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min，調(diào)懸浮液的pH值至3_4 ；(3)按比例稱取微米α-Al2O3粉末，加無水乙醇配成α-Al2O3懸浮液，充分?jǐn)嚢琛?超聲分散20-30min ；(4)將步驟⑴-(3)所得&02、Ti (C，N)和α -Al2O3懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液， 然后按比例添加穩(wěn)定劑Y2O3和CeO2、燒結(jié)助劑Mo、Ni和MgO燒結(jié)助劑，超聲分散20-30min， 混合均勻；(5)將步驟(4)所得混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為 介質(zhì)，各組分原料總量與研磨球的料球重量比為1 10-12，球磨30-50h;然后在電熱真空 干燥箱中110-120°C溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過篩，得到混合粉料， 密封備用；(6)采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟(5)所得的粉料壓模燒結(jié)成型。上述步驟(1-(3)中所述的無水乙醇是作為配成懸浮液的分散介質(zhì)，用量按本領(lǐng) 域常規(guī)選擇即可，本發(fā)明不做特別限定。優(yōu)選的，步驟(2)中用HCl、NH4OH調(diào)節(jié)懸浮液的pH值。優(yōu)選的，步驟(5)中球磨用的研磨球是硬質(zhì)合金球。優(yōu)選的，步驟(5)中惰性氣體是氮?dú)饣驓鍤狻?yōu)選的，上述步驟(6)熱壓法燒結(jié)的操作步驟如下
先將步驟(5)所得的粉料裝入石墨模具，然后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)；熱壓工藝參數(shù) 為升溫時(shí)間30-40min，保溫溫度1400_1550°C，熱壓壓力25_35MPa，保溫時(shí)間40_60min，然
后降溫至室溫。本發(fā)明的優(yōu)良效果如下本發(fā)明的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，通過在微米&02基體中添加納米TiC和微米氧化鋁作為增強(qiáng)相實(shí)現(xiàn)納微米尺度復(fù)合，一方面由于納米TiC的加入，與微米&02形成 了典型的晶內(nèi)/晶間混合型結(jié)構(gòu)，由此導(dǎo)致沿晶/穿晶混合型斷裂模式，這些強(qiáng)韌化機(jī)制 與相變?cè)鲰g等多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理協(xié)同作用，共同改善材料的力學(xué)性能和使用性能；而 且研究表明γ203、CeO2等穩(wěn)定劑的復(fù)合添加，不但使材料具有相當(dāng)高的抗老化性和缺陷抵 抗能力，而且晶粒相變臨界尺寸比較大，對(duì)原料細(xì)度要求較低，從而使材料具有較好的綜合 性能。另一方面由于采用納微米尺度復(fù)合，較納米納米復(fù)合工藝具有制備方法簡(jiǎn)單、操作方 便、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。與已有陶瓷工模具材料相比，該納微米復(fù)合陶瓷工模具材料具有更好 的綜合力學(xué)性能和優(yōu)良的減摩耐磨性能，可用于制作擠壓模、拉拔模以及切削刀具等陶瓷 工模具。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。各實(shí)施例的組分中，所用的微米&02和 微米α -Al2O3粉末均為市售，平均粒徑分別為0. 5 μ m和1 μ m，純度大于99% ；所用的TiC 為市售粉末，平均粒徑為40nm，純度大于99%。實(shí)施例1納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，原料組分的體積百分比為49% ZrO2, 20% Ti (C，N ),15% α -Al2O3, 3% Y2O3,6% CeO2, 3. 6% Ni, 2. 4% Mo,l% MgO0 制備方法如下按比例分別稱取微米&02和α -Al2O3粉末，以適量無水乙醇為分散介質(zhì)，分別配 成&02和α-Al2O3懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0min ；按比例稱取納米TiC粉末， 以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以TiC粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添 加量為0. 4wt%，以適量無水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiC懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲?散30min,再用HCl和NH4OH調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至4 ；將所得ZrO2, Ti (C，N)和α -Al2O3懸 浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加Y203、Ce02穩(wěn)定劑以及Mo、Ni和MgO燒結(jié)助劑， 經(jīng)過超聲分散30min，混合均勻；將混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無水 乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，料球重量比為1 10，球磨50h;然后在電熱真空干燥 箱中在設(shè)定溫度110°C下連續(xù)干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過篩，然后將粉料裝入石 墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力30MPa，保溫溫度1460°C，升溫時(shí)間 35min，保溫時(shí)間50min。制得的陶瓷材料。將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測(cè)得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度 866MPa、斷裂韌性 8. 4MPa · m1/2、維氏硬度 13. 05GPa。實(shí)施例2納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，原料組分的體積百分比為61. 8% ZrO2,15% Ti (C， N), 10% α -Al2O3, 2% Y2O3,4% CeO2, 2% Ni, 4% Mo, 1. 2% MgO0 制備方法如下按比例分別稱取微米&02和α -Al2O3粉末，以適量無水乙醇為分散介質(zhì)，分別配成&02和α-Al2O3懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢琛⒊暦稚?0min ；按比例稱取納米TiC粉末， 以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以TiC粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添 加量為0. 2wt%，以適量無水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiC懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲?散25min,再用HCl和NH4OH調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3 ；將所得ZrO2, Ti (C，N)和α -Al2O3懸 浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加Y203、CeO2等穩(wěn)定劑以及Mo、Ni和MgO等燒結(jié) 助劑，經(jīng)過超聲分散20min，混合均勻；將混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以 無水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，料球重量比為1 11，球磨40h;然后在電熱真空 干燥箱中在設(shè)定溫度120°C下連續(xù)干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過篩，然后將粉料裝 入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力28MPa，保溫溫度1520°C，升溫 時(shí)間40min，保溫時(shí)間40min。然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測(cè)得其力學(xué)性能 參數(shù)為抗彎強(qiáng)度792MPa、斷裂韌性8. 7MPa · m〃2、維氏硬度12. 4GPa。實(shí)施例3納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，原料組分的體積百分比為55. 2% ZrO2, 20% Ti (C， N), 10% α -Al2O3, 3% Y2O3, 5% CeO2, 3% Ni, 3% Mo, 0. 8% MgO0 制備方法如下按比例分別稱取微米&02和α -Al2O3粉末，以適量無水乙醇為分散介質(zhì)，分別配成&02和α-Al2O3懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?5min ；按比例稱取納米TiC粉末， 以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以TiC粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添 加量為0. 8wt%，以適量無水乙醇為分散介質(zhì)，配成TiC懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲?散30min,再用HCl和NH4OH調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至4 ；將所得ZrO2, Ti (C，N)和α -Al2O3懸 浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然后按比例添加Y203、CeO2等穩(wěn)定劑以及Mo、Ni和MgO等燒結(jié) 助劑，經(jīng)過超聲分散25min，混合均勻；將混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以 無水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，料球重量比為1 12，球磨35h;然后在電熱真空 干燥箱中在設(shè)定溫度110°C下連續(xù)干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過篩，然后將粉料裝 入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力32MPa，保溫溫度1420°C，升溫 時(shí)間32min，保溫時(shí)間45min。然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測(cè)得其力學(xué)性能 參數(shù)為抗彎強(qiáng)度835MPa、斷裂韌性8. IMPa · m〃2、維氏硬度13. 3GPa。
權(quán)利要求
一種納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，是以微米ZrO2為基體，添加納米TiC和微米α-Al2O3作為增強(qiáng)相，以氧化釔(Y2O3)和氧化鈰(CeO2)為穩(wěn)定劑，以微米鉬(Mo)、鎳(Ni)和氧化鎂(MgO)作為燒結(jié)助劑，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成；原料組分體積百分比如下TiC 1O-30％，α-Al2O35-25％，Y2O32-5％，CeO23-10％，Mo2-4％，Ni2-6％，MgO0.5-1.5％，ZrO2余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，其特征在于，所述TiC的體積百 分比為15-25% ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，其特征在于，所述α-Al2O3的 體積百分比為10-20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，其特征在于，所述Y2O3的體積 百分比為2-4%，所述CeO2的體積百分比為4-8%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料，其特征在于，所述Mo的體積百 分比為2-3%，所述Ni的體積百分比為3-5%，所述MgO的體積百分比為0. 8-1. 2%。
6.權(quán)利要求1-5任一所述的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料的制備方法，包括步驟如下(1)按比例稱取微米粉末，加無水乙醇配成&02懸浮液，充分?jǐn)嚢琛⒊暦稚?20-30min ；(2)按比例稱取納米TiC粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以 TiC粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量為0. 2-1. Owt % ；加無水乙醇配成TiC懸浮液，充分 攪拌、超聲分散20-30min，調(diào)懸浮液的pH值至3_4 ；(3)按比例稱取微米α-Al2O3粉末，加無水乙醇配成α-Al2O3懸浮液，充分?jǐn)嚢?、超?分散 20-30min ；(4)將步驟(1)-(3)所得&02、Ti(C，N)和α-Al2O3懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，然 后按比例添加穩(wěn)定劑Y2O3和CeO2、燒結(jié)助劑Mo、Ni和MgO燒結(jié)助劑，超聲分散20-30min，混 合均勻；(5)將步驟(4)所得混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介 質(zhì)，各組分原料總量與研磨球的料球重量比為1 10-12，球磨30-50h;然后在電熱真空干 燥箱中110-120°C溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過篩，得到混合粉料，密 封備用；(6)采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟(5)所得的粉料壓模燒結(jié)成型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料的制備方法，其特征在于，步驟 (5)中所述惰性氣體是氮?dú)狻鍤庵弧?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納微米復(fù)合陶瓷工模具材料的制備方法，其特征在于，步 驟(6)熱壓法燒結(jié)工藝參數(shù)為升溫時(shí)間30-40min，保溫溫度1400-1550°C，熱壓壓力 25-35MPa，保溫時(shí)間40_60min，然后降溫至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納微米復(fù)合陶瓷工模具材料及其制備方法。本發(fā)明的陶瓷工模具材料采用納米微米尺度復(fù)合方法，以微米ZrO2為基體，添加納米TiC和微米α-Al2O3為增強(qiáng)相，以微米Y2O3和CeO2為穩(wěn)定劑，以微米Mo、Ni和MgO作為燒結(jié)助劑熱壓燒結(jié)而成。制備方法是先將微米ZrO2、納米TiC和微米α-Al2O3粉末分別分散，再經(jīng)過球磨、干燥制得粉料，采用熱壓法燒結(jié)。該方法有利于改善材料的力學(xué)性能，具有制備方法簡(jiǎn)單、操作方便、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。所得納微米復(fù)合陶瓷工模具材料具有良好的綜合力學(xué)性能和減摩耐磨性能，可用于制作擠壓模、拉拔模以及切削刀具等陶瓷工模具。
文檔編號(hào)C04B35/488GK101798217SQ201010105340
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者張會(huì)發(fā), 王興海, 衣明東, 許崇海, 趙詩奎 申請(qǐng)人:山東輕工業(yè)學(xué)院