[發明專利]一種納米復合陶瓷刀具材料及其制備方法

有效

• 申請號: 200810015928.1
• 申請日: 2008-04-29
• 公開（公告）號: CN101265079A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 袁訓亮;趙軍;周詠輝
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C04B35/117
• 分類號: C04B35/117;C04B35/622
• 代理公司: 濟南圣達專利商標事務所有限公司
• 代理人: 王書剛

技術領域

本發明涉及一種復合陶瓷刀具材料及其制備方法，屬于陶瓷刀具材料技術領域。

背景技術

陶瓷刀具硬度高、耐磨性能好，不易與金屬產生粘結，并且化學穩定性好，在難加工材 料的加工領域具有硬質合金刀具無法比擬的優勢。同時，陶瓷刀具主要成分鋁、硅等元素來 源廣泛，開發和使用陶瓷刀具可以節約戰略性貴重金屬(主要是鎢)的消耗。但是，陶瓷刀 具材料自身固有的脆性限制了它的應用范圍，在加工中刀具常常因破損而失效。因此，研究 如何在保持陶瓷刀具材料原有優點的基礎上提高其斷裂韌性和抗彎強度就變得很有意義。

另一方面，現代制造技術正向著高速切削的方向發展，然而很高的切削速度致使刀具承 受更高的切削溫度，此時刀具材料的熱性能(包括刀具的熔點、耐熱性、抗氧化性、高溫力 學性能、抗熱沖擊性能等)成為決定刀具壽命的主要因素。因此，尋找提高刀具材料熱性能 尤其是高溫力學性能的途徑具有重要意義。

《理化檢測-物理分冊》在2002年38(9)：378-380頁公開的《TiC與TiC-WC的添加對 FeAl/Al₂O₃復合材料力學性能的影響》通過在FeAl/Al₂O₃復合材料基體中添加TiC-WC固溶體 同時提高了材料的抗彎強度和斷裂韌性。

公開號為CN1059328A的中國專利申請公開了一種《一種陶瓷刀具材料》，是選用氧化鋁 作為耐磨相，碳化鎢、碳化鈦飽和固溶體作為硬質相，優選合適的金屬組份鈷(或鎳)、鉬(或 鎢)、鋁和鈦等以加強材料組織的接合，并添加晶粒生長抑制劑以阻止晶粒長大，制備出一種 可加工多種淬硬鋼、高強度鋼等難加工材料的刀具材料。

雖然以TiC-WC固溶體形式添加硬質相在一定程度上可以提高硬度，但是不便于調整硬質 相的相對含量；而且，目前技術水平難以獲得納米級TiC-WC固溶體，無法利用納米粒子增強 增韌的特點。雖然在復合陶瓷材料中添加部分金屬可以加強材料組織的接合強度，但僅限于 在低溫下提高強度，仍然無法提高材料的高溫力學性能。

發明內容

本發明針對現有陶瓷刀具材料在高溫力學性能方面存在的不足，提供一種適合高速硬切 削的復合陶瓷刀具材料，同時提供一種該材料的制備方法，旨在保持陶瓷刀具材料原有優點 的條件下，改善陶瓷刀具材料的綜合力學性能、特別是高溫力學性能。

本發明的復合陶瓷刀具材料按體積百分比包括54％～64％的微米Al₂O₃、21％～40.5％的TiC、 3.5％～18％的微米WC、0.5％的微米MgO和0.5％的微米NiO。

TiC的中位粒徑為140納米。

TiC和微米WC體積之和占整個材料組成體積的30～45％。

上述復合陶瓷刀具材料的制備方法包括以下步驟：

(1)配料：按體積百分比分別取54～64％的微米Al₂O₃、21～40.5％的TiC、3.5～18％的微 米WC、0.5％的微米MgO和0.5％的微米NiO，TiC粉末的中位粒徑為140納米；

(2)TiC顆粒的分散：首先以分子量為4000的聚乙二醇(PEG)為分散劑，以去離子水 為分散介質，配制含聚乙二醇質量百分比為0.0335％的水溶液；將TiC粉末加入到配制的水 溶液中配成TiC質量百分比為6.7％的懸浮液，將懸浮液放在超聲分散攪拌機上分散15～20 分鐘，取下后采用氨水滴定法將懸浮液的PH值調整為9.5～10，使懸浮液呈堿性；

(3)混料：將所取微米Al₂O₃、WC、MgO和NiO與步驟(2)中配制好的懸浮液進行混合，放 在超聲分散攪拌機上分散20～30分鐘后倒入混料桶中，在球磨機上混合48～72小時，再經 過真空干燥、過篩，得到分散良好的復合粉末料；

(4)燒結：采用熱壓燒結工藝，在氮氣保護氣氛中將步驟(3)制備的復合粉末料燒結，在 從室溫加熱到保溫階段溫度時，升溫速度為75～85℃/分鐘，壓力平穩均勻地加至30MPa；保 溫階段溫度為1650～1750℃，壓力30MPa，保溫時間10～30分鐘。

通過以上步驟，可制得粒度分布均勻、硬度高、抗彎強度高、斷裂韌性好的氧化鋁-碳化 鈦-碳化鎢復合陶瓷刀具材料。