一種氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬材料科學【技術領域】，特別涉及一種氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法。本發(fā)明的特征是：在微米級α-Si3N4基體中加入適量納米級α-Si3N4和微米級(W,Ti)C粉末，以Al2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑。采用分段溫升、均勻加壓的熱壓燒結(jié)工藝，在真空環(huán)境中將復合粉末料燒結(jié)。本發(fā)明制備出的納米復合陶瓷刀具材料具有高的硬度、抗彎強度、斷裂韌性，良好的耐磨性和高溫穩(wěn)定性。該梯度納米復合陶瓷材料適合于制作高溫及耐磨性要求較高的切削刀具、噴嘴等。
【專利說明】一種氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷材料【技術領域】，涉及一種氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]切削加工是機械制造業(yè)中占主導地位的加工方法，刀具材料的發(fā)展對切削加工的進步起決定性作用，陶瓷刀具因其具有高的耐磨性、耐熱性、抗氧化性等優(yōu)點，80年代以來，已取得突破性進展，陶瓷刀具材料必將成為廿一世紀最主要的刀具材料之一。氮化硅陶瓷由于具有高強度、高抗熱震性、高耐磨性、化學穩(wěn)定性等一系列優(yōu)良性能，廣泛應用于切削刀具，但其硬度和斷裂韌度較低。 [0003]在陶瓷材料中加入納米顆粒可以有效提高復合陶瓷材料的抗彎強度和斷裂韌度(Sternitzke M.? Review:Structural Ceramic Nanocomposites[J].J.Eur.Ceram.Soc, 1997，17:1061-1082),并且明顯改善其高溫性能(李廣海，江安全，張立德.添加納米對陶瓷增韌和增強的影響[J].金屬學報，1996，32 (12): 1285-1288)。在微米Si3N4基體中加入納米Si3N4顆粒，有利于細化晶粒，促進P -Si3N4的形成，促進基體材料長柱狀類晶須晶粒直徑尺寸呈雙峰分布特征，提高材料的抗彎強度和斷裂韌度。在氮化硅基體材料中加入SiC顆?？擅黠@提高其抗彎強度,但是硬度和韌性仍十分有限(Hirano T, NiiharaK.Microstructure and mechanical properties of Si3N4/SiC composites[J].Mater Lett, 1995，22 (5): 249-254.)。當加入TiN顆粒時，可明顯提高氮化硅陶瓷的強度和韌性，但是硬度仍較低(Zou B，Huang C，Chen M, et al.Study of the mechanicalproperties, toughening and strengthening mechanisms of Si3N4/Si3N4w/TiNnanocomposite ceramic tool materials[J].Acta Mater, 2007，55(12):4193-4202.X
[0004]因此，如何同時獲得高的強度、韌性和硬度，是開發(fā)氮化硅基納米復合陶瓷材料的關鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，通過在微米級氮化硅基體中，添加適量的納米相氮化硅以及增強相碳化鎢鈦，提供一種氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法，制備具有高強度、高硬度、高韌性及良好高溫穩(wěn)定性的氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料。
[0006]本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的。
[0007]一種氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法，其特征是包括以下步驟:
[0008](I)原料的準備:用無水乙醇作為介質(zhì)，分別對微米a -Si3N4、納米a -Si3N4,微米Al2O3和微米(W，Ti)C原料粉末，進行球磨，以打散較大的團聚顆粒，獲得更為均勻的粉末，之后經(jīng)過真空干燥、過篩，封裝以備用；[0009](2)納米顆粒的分散:應用步驟(1)中球磨好的納米a-Si3N4粉末，分散過程以無水乙醇為分散介質(zhì)，加入相對納米a -Si3N4質(zhì)量為0.5%的分子量為4000的聚乙二醇，配制成懸浮液；采用氨水滴定法將懸浮液的PH值調(diào)整為9.5~10，使懸浮液呈堿性；然后放在超聲分散攪拌機上分散25~30分鐘，得到分散良好的a -Si3N4懸浮液；
[0010](3)混料:按體積百分比進行配料，其中燒結(jié)助劑Y2O3與Al2O3分別固定為4.8%和3.2%，(W，Ti) C為10~30% ;納米和微米a -Si3N4粉末總量為62~82%，且其中納米a -Si3N4在氮化硅粉末中所占比重為20~50% ;將步驟(1)中球磨好的微米級a -Si3N4, (W，Ti) C粉末以及Y203、A1203粉末與步驟(2)分散好的納米材料的懸浮液混合，放在超聲分散攪拌機上分散15~20分鐘后倒入混料桶中，在球磨機上球磨，以使各相材料混合更加均勻，再經(jīng)過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合陶瓷材料粉末料 ；
[0011](4)裝料與燒結(jié):將混合好的復合陶瓷材料粉末裝入石墨模具，在真空環(huán)境中，采用分段溫升、均勻加壓的熱壓燒結(jié)工藝；在室溫~1200°C時，升溫速度為90~100°C /min,壓力加至8Mpa ;從1200°C到1700°C時，升溫速度為45~50°C /min，壓力均勻加至30MPa ；保溫保壓階段溫度為1700°C，壓力為30MPa，保溫保壓時間為45min，之后隨爐冷卻至室溫。
[0012]通過以上步驟，可制得粒度分布均勻、抗彎強度高、斷裂韌性好、硬度高及優(yōu)良高溫性能的氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料。
[0013]該制備方法通過在微米級的a -Si3N4基體中添加納米級a -Si3N4和(W，Ti) C固溶體粉末，并控制納米a -Si3N4顆粒與微米a -Si3N4顆粒的比重以及(W，Ti) C的含量，以Y203、Al2O3為助燒劑，采分段溫升、均勻加壓的真空熱壓燒結(jié)技術。納米a-Si3N4顆粒的引入，細化了晶粒，有利于促進P-Si3N4的形成，促進基體材料長柱狀類晶須晶粒直徑尺寸呈雙峰分布特征，提高材料的抗彎強度和斷裂韌性；原料中的(W，Ti) C顆粒在有效提高材料硬度的同時，抑制P-Si3N4的過分長大，促進材料穿晶斷裂的發(fā)生，提高了材料的斷裂韌性。所制得的納米復合陶瓷刀具材料具有良好的力學性能。該納米復合陶瓷材料適合于制作高溫及耐磨性要求較高的金屬切削刀具、噴嘴等。
【具體實施方式】
[0014]下面給出本發(fā)明的三個最佳實施例。
[0015]實施例一
[0016]亞微米a-Si3N4(0.5 ii m) +納米 a-Si3N4 (25nm) + 微米(W, Ti) C (I ii m),納米復合材料中各組分的含量(體積百分比)為:54%微米a -Si3N4,18%納米a -Si3N4,4.8%高純Y2O3,
3.2% 微米 Al2O3, 20% 微米(W，Ti) C。
[0017]本發(fā)明的梯度納米復合陶瓷刀具材料的制備過程如下:
[0018]1.原料的準備:用無水乙醇作為介質(zhì)，分別對微米a -Si3N4、納米a -Si3N4，微米Al2O3和微米(W，Ti) C原料粉末，進行球磨，球磨過程在行星式球磨機上進行。其中a -Si3N4,Al2O3粉末球磨24h以打散較大的團聚顆粒，獲得更為均勻的粉末，(W，Ti) C粉末球磨240h，以減小粉末粒徑至I Pm左右，之后經(jīng)過真空干燥、過篩，封裝以備用；
[0019]2.對納米粉末進行分散:應用步驟(1)中球磨好的納米a-Si3N4粉末，分散過程以無水乙醇為分散介質(zhì)，加入相對納米a -Si3N4質(zhì)量為0.5%的分子量為4000的聚乙二醇，配制成納米a -Si3N4的質(zhì)量分數(shù)為0.2%的懸浮液；采用氨水滴定法將懸浮液的PH值調(diào)整為9.5~10，使懸浮液呈堿性；然后放在超聲分散攪拌機上分散30分鐘；
[0020]3.混料:按體積百分比進行配料，其中燒結(jié)助劑Y2O3與Al2O3分別固定為4.8%和
3.2%，(ff, Ti) C為20%,微米a -Si3N4為54%，納米a -Si3N4為18% ;將步驟(1)中球磨好的微米級a -Si3N4, (W，Ti)C粉末以及Υ203、Α1203粉末與步驟(2)分散好的納米材料的懸浮液混合，放在超聲分散攪拌機上分散15~20分鐘后倒入混料桶中，在球磨機上球磨，以使各相材料混合更加均勻，再經(jīng)過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合陶瓷材料粉末料；
[0021]4.裝料與燒結(jié):將混合好的復合陶瓷材料粉末裝入石墨模具，在真空環(huán)境中，采用分段溫升、均勻加壓的熱壓燒結(jié)工藝；在室溫~1200°C時，升溫速度為90~100°C /min,壓力加至8Mpa ;從1200°C到1700°C時，升溫速度為45~50°C /min，壓力均勻加至30MPa ；保溫保壓階段溫度為1700°C，壓力為30MPa，保溫保壓時間為45min，之后隨爐冷卻至室溫。
[0022]通過上述過程制備的梯度納米復合陶瓷刀具材料的力學性能為:抗彎強度907~1050MPa、斷裂韌性 7.3 ~9.2MPa.m1/2、維氏硬度 17.3 ~18.2GPa。
[0023]實施例二
[0024]亞微米a-Si3N4 (0.5 μ m) +納米 a-Si3N4 (25nm) + 微米(W，Ti) C (I μ m),納米復合材料中各組分的含量(體積百分比)為=57.75%微米a -Si3N4,19.25%納米a -Si3N4,4.8%高純 Y2O3, 3.2% 微米 Al2O3,15% 微米(W, Ti) C。
[0025]本發(fā)明的梯度納米復合陶瓷刀具材料的制備過程如下:
[0026]1.原料的準備:用無水乙醇作為介質(zhì)，分別對微米a -Si3N4、納米a -Si3N4,微米Al2O3和微米(W，Ti) C原料粉末，進行球磨，球磨過程在行星式球磨機上進行。其中a -Si3N4,Al2O3粉末球磨24h以打散較大的團聚顆粒，獲得更為均勻的粉末，(W，Ti) C粉末球磨240h，以減小粉末粒徑至Iym左右，之后經(jīng)過真空干燥、過篩，封裝以備用；
[0027]2.對納米粉末進行分散:應`用步驟(1)中球磨好的納米a-Si3N4粉末，分散過程以無水乙醇為分散介質(zhì)，加入相對納米a -Si3N4質(zhì)量為0.5%的分子量為4000的聚乙二醇，配制成納米a -Si3N4的質(zhì)量分數(shù)為0.2%的懸浮液；采用氨水滴定法將懸浮液的PH值調(diào)整為9.5~10，使懸浮液呈堿性；然后放在超聲分散攪拌機上分散30分鐘；
[0028]3.混料:按體積百分比進行配料，其中燒結(jié)助劑Y2O3與Al2O3分別固定為4.8%和
3.2%，(W，Ti) C 為 15%，微米 a -Si3N4 為 57.75%，納米 a -Si3N4 為 19.25% ;將步驟(1)中球磨好的微米級a -Si3N4, (W，Ti) C粉末以及Υ203、Α1203粉末與步驟(2)分散好的納米材料的懸浮液混合，放在超聲分散攪拌機上分散15~20分鐘后倒入混料桶中，在球磨機上球磨，以使各相材料混合更加均勻，再經(jīng)過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合陶瓷材料粉末料；
[0029]4.裝料與燒結(jié):將混合好的復合陶瓷材料粉末裝入石墨模具，在真空環(huán)境中，采用分段溫升、均勻加壓的熱壓燒結(jié)工藝；在室溫~1200°C時，升溫速度為90~100°C /min,壓力加至8Mpa ;從1200°C到1700°C時，升溫速度為45~50°C /min，壓力均勻加至30MPa ；保溫保壓階段溫度為1700°C，壓力為30MPa，保溫保壓時間為45min，之后隨爐冷卻至室溫。
[0030]通過上述過程制備的梯度納米復合陶瓷刀具材料的力學性能為:抗彎強度830~950MPa、斷裂韌性 7.8 ~9.1MPa.m1/2、維氏硬度 17.0 ~17.4GPa。
[0031]實施例三
[0032]亞微米a-Si3N4 (0.5 μ m) +納米 a-Si3N4 (25nm) + 微米(W，Ti) C (I μ m),納米復合材料中各組分的含量(體積百分比)為=50.25%微米a -Si3N4,16.75%納米a -Si3N4,4.8%高純 Y2O3, 3.2% 微米 Al2O3, 20% 微米(W，Ti) C。
[0033]本發(fā)明的梯度納米復合陶瓷刀具材料的制備過程如下:
[0034]1.原料的準備:用無水乙醇作為介質(zhì)，分別對微米a -Si3N4、納米a -Si3N4,微米Al2O3和微米(W，Ti) C原料粉末，進行球磨，球磨過程在行星式球磨機上進行。其中a -Si3N4,A1203粉末球磨24h以打散較大的團聚顆粒，獲得更為均勻的粉末，(W，Ti)C粉末球磨240h，以減小粉末粒徑至I Pm左右，之后經(jīng)過真空干燥、過篩，封裝以備用；
[0035]2.對納米粉末進行分散:應用步驟(1)中球磨好的納米a-Si3N4粉末，分散過程以無水乙醇為分散介質(zhì)，加入相對納米a -Si3N4質(zhì)量為0.5%的分子量為4000的聚乙二醇，配制成納米a -Si3N4的質(zhì)量分數(shù)為0.2%的懸浮液；采用氨水滴定法將懸浮液的PH值調(diào)整為9.5~10，使懸浮液呈堿性；然后放在超聲分散攪拌機上分散30分鐘；
[0036]3.混料:按體積百分比進行配料，其中燒結(jié)助劑Y2O3與Al2O3分別固定為4.8%和
3.2%, (W，Ti) C 為 25%,微米 a -Si3N4 為 50.25%,納米 a -Si3N4 為 16.75% ;將步驟(1)中球磨好的微米級a -Si3N4, (W，Ti) C粉末以及Y203、A1203粉末與步驟(2)分散好的納米材料的懸浮液混合，放在超聲分散攪拌機上分散15~20分鐘后倒入混料桶中，在球磨機上球磨，以使各相材料混合更加均勻，再經(jīng)過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合陶瓷材料粉末料；[0037]4.裝料與燒結(jié):將混合好的復合陶瓷材料粉末裝入石墨模具，在真空環(huán)境中，采用分段溫升、均勻加壓的熱壓燒結(jié)工藝；在室溫~1200°C時，升溫速度為90~100°C /min,壓力加至8Mpa ;從1200°C到1700°C時，升溫速度為45~50°C /min，壓力均勻加至30MPa ；保溫保壓階段溫度為1700°C，壓力為30MPa，保溫保壓時間為45min，之后隨爐冷卻至室溫。
[0038]通過上述過程制備的梯度納米復合陶瓷刀具材料的力學性能為:抗彎強度785~880MPa、斷裂韌性 7.8 ~9.3MPa ? m1/2、維氏硬度 17.4 ~18.5GPa。
【權利要求】
1.一種氮化硅-碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法，其特征包括以下步驟: (1)原料的準備:用無水乙醇作為介質(zhì)，分別對微米a-Si3N4、納米C1-Si3N4，微米Al2O3和微米(W，Ti)C原料粉末，進行球磨，之后經(jīng)過真空干燥、過篩，封裝以備用； (2)納米顆粒的分散:應用步驟(1)中球磨好的納米C1-Si3N4粉末，分散過程以無水乙醇為分散介質(zhì)，加入相對納米a -Si3N4質(zhì)量為0.5%的分子量為4000的聚乙二醇，配制成納米a -Si3N4的質(zhì)量分數(shù)為0.2%的懸浮液；采用氨水滴定法將懸浮液的PH值調(diào)整為9.5~10，使懸浮液呈堿性；然后放在超聲分散攪拌機上分散，得到分散良好的a -Si3N4懸浮液； (3)混料:按體積百分比進行配料，其中燒結(jié)助劑Y2O3與Al2O3分別固定為4.8%和3.2%，(W，Ti) C為10~30%,納米和微米a -Si3N4粉末總量為62~82%，且其中納米a -Si3N4在氮化硅粉末中所占比重為20~50% ;將步驟(1)中球磨好的微米級a -Si3N4, (W，Ti) C粉末以及Υ203、Α1203粉末與步驟(2)分散好的納米材料的懸浮液混合，放在超聲分散攪拌機上分散均勻后倒入混料桶中，在球磨機上球磨，再經(jīng)過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合陶瓷材料粉末料； (4)裝料與燒結(jié):將混合好的原料粉末裝入石墨模具中，在真空環(huán)境中采用分段溫升、均勻加壓的熱壓燒結(jié)工藝；在室溫~1200°C時，升溫速度為90~100°C /min，壓力加至8Mpa ;從1200°C到1700°C時，升溫速度為45~50°C /min，壓力平穩(wěn)均勻加至30MPa ;保溫保壓階段溫度為1700°C，壓力為30MPa，保溫保壓時間為45min，之后隨爐冷卻至室溫。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種氮化硅一碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法，其特征是:步驟(1)中，微米a -Si3N4、納米a -Si3N4和微米Al2O3粉末球磨24h以打散較大的團聚顆粒，獲得更為均勻的粉末；(W，Ti) C粉末球磨240h，以減小粉末粒徑至I μ m左右；步驟(3)中球磨時間為48小時。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種氮化硅一碳化鎢鈦納米復合陶瓷刀具材料的制備方法，其特征是步驟(3)中增強相(W，Ti)C最佳含量為體積分數(shù)15%和20% ;步驟(3)中納米a -Si3N4粉末在氮化硅粉末中所占最優(yōu)比重為25%。
【文檔編號】C04B35/622GK103739292SQ201410001211
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權日:2014年1月2日
【發(fā)明者】趙軍, 田憲華, 劉帥, 宮兆超 申請人:山東大學