[發(fā)明專利]一種超細(xì)晶氧化鋁陶瓷刀具及其制備工藝

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210317480.5
• 申請(qǐng)日: 2012-08-31
• 公開（公告）號(hào): CN102825276A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃偉九;吳桂森;孟范成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B23B27/00
• 分類號(hào): B23B27/00;C04B35/10;C04B35/622
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所 50123
• 代理人: 康海燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超細(xì)晶氧化鋁陶瓷刀具。

背景技術(shù)

大量的研究表明，細(xì)化陶瓷材料的晶粒尺寸能有效提高綜合性能，尤其是耐磨性、韌性等。傳統(tǒng)陶瓷刀具基本上都是使用熱壓燒結(jié)法制備得到，燒結(jié)過程存在升溫速率低（一般幾度-幾十度每分鐘）、保溫時(shí)間長(zhǎng)（幾十分鐘-數(shù)小時(shí)）等特點(diǎn)，材料的致密化主要是依靠材料晶粒長(zhǎng)大來實(shí)現(xiàn)，這些特點(diǎn)決定了傳統(tǒng)燒結(jié)方法難以制備出超細(xì)晶陶瓷材料。超高壓燒結(jié)、微波燒結(jié)法、放電等離子燒結(jié)法和爆炸燒結(jié)法等都能應(yīng)用于制備超細(xì)晶陶瓷材料，但由于技術(shù)問題，到目前為止仍沒有發(fā)現(xiàn)有任何研究者制備得到超細(xì)晶氧化鋁陶瓷刀具。燃燒合成加機(jī)械壓力法（SHS/QP）具有升溫速度快（升溫上千度每分鐘）、燒結(jié)時(shí)間短（一般幾分鐘）等特點(diǎn)，能在短時(shí)間內(nèi)使陶瓷材料燒結(jié)致密，從而抑制了材料晶粒長(zhǎng)大，能制備出結(jié)構(gòu)均勻致密的超細(xì)晶陶瓷材料。目前已有使用SHS/QP法制備超細(xì)晶陶瓷材料的文獻(xiàn)報(bào)道（孟范成,?傅正義,?張金詠,?等.?“化學(xué)爐”加機(jī)械壓力法超快速制備超細(xì)晶氧化鋁陶瓷.?硅酸鹽學(xué)報(bào),?2007,?35(3):?285-289），但該論文所使用的氧化鋁原料平均粒徑為600nm，其制備所得材料晶粒尺寸在600nm左右，該論文研究目標(biāo)重點(diǎn)在于成功應(yīng)用SHS/QP法來制備氧化鋁陶瓷材料，未深入考察不同粒徑氧化鋁原料制備超細(xì)晶陶瓷的優(yōu)化工藝參數(shù)，且制備的超細(xì)晶氧化鋁陶瓷成品尺寸較小，無法滿足切削刀具要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種切削性能優(yōu)異的超細(xì)晶氧化鋁陶瓷刀具及其制備工藝，發(fā)明者采用燃燒合成加機(jī)械壓力法（SHS/QP），經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，改進(jìn)燒結(jié)工藝，摸索出了制備超細(xì)晶氧化鋁陶瓷刀具的方法，制備得到的超細(xì)晶氧化鋁陶瓷刀具經(jīng)切削試驗(yàn)，具有優(yōu)異的切削性能。

本發(fā)明提出的超細(xì)晶氧化鋁陶瓷刀具，包括刀片本體，刀片本體的微觀晶粒尺寸為270±20nm―550nm±20nm，晶粒大小均勻，無異常長(zhǎng)大，所述刀片本體的致密度為98.5-100%，且致密度均勻。刀片本體的尺寸為厚度4.5-6mm，邊長(zhǎng)10-20mm。

????上述超細(xì)晶氧化鋁陶瓷刀具的制備工藝步驟如下：

???（1）準(zhǔn)備氧化鋁原料顆粒5-15g，冷壓成圓片狀樣品；

???（2）按3:6:4的摩爾比取氧化鉻粉、鋁粉、碳粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20-35%的氧化鋁稀釋劑，球磨、過篩后得燃燒體系，取100-200g的燃燒體系分成兩半，一半放于石墨模具中壓平，再放入用石墨紙包好的樣品，再鋪上另一半燃燒體系，在100-170KN的壓力下壓成燃燒體系塊；

???（3）將燃燒體系塊安裝到燃燒合成加機(jī)械壓力（SHS/QP）燒結(jié)系統(tǒng)的燒結(jié)模具中，啟動(dòng)燒結(jié)系統(tǒng)，使燒結(jié)溫度在20-40秒時(shí)間內(nèi)達(dá)到1673-1873K之間，加壓壓力在980-1200KN之間，保壓5-10min后泄壓，鑿開已燃燒完成的燃燒體系塊，取出樣品，燒結(jié)完成；

????（4）將樣品在精細(xì)陶瓷拋光機(jī)上用金剛石顆粒拋光，樣品表面粗糙度統(tǒng)一達(dá)到Ra＜100nm；

（5）用精密陶瓷切割機(jī)和開刃機(jī)把樣品切割成刀具形狀并開刃，完成刀具制備。

為了更好地完成本發(fā)明目的，本發(fā)明中，需要對(duì)采用的燒結(jié)模具大小做特別的設(shè)計(jì)，不僅僅要關(guān)注模具本身，而且要綜合考慮燃燒體系的量、稀釋劑含量、加壓壓力等因素。燃燒體系的量過少會(huì)導(dǎo)致提供的熱量不足，無法完成陶瓷燒結(jié)，燃燒體系的量過多則會(huì)延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間，不利于控制陶瓷晶粒尺寸；稀釋劑的含量過低會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)溫度過高和燒結(jié)時(shí)間過短，不利于材料致密化，過高則會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)溫度過低，無法完成燒結(jié)；同時(shí)加壓壓力與燒結(jié)模具的大小有直接關(guān)系，直徑過大的燒結(jié)模具四周反饋的壓力偏低，不利于材料的致密化和致密度的均勻，直徑過小的燒結(jié)模具雖然能提供大的壓力，但會(huì)限制燃燒體系的量，從而影響燒結(jié)。因此，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)摸索，發(fā)明人建立了如下燒結(jié)模具設(shè)計(jì)優(yōu)化原則（參見圖6）：為了保證樣品各個(gè)面的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)趨于相同，要求樣品的直徑d1=20-30mm之間，樣品各個(gè)面距燃燒體系的邊緣的距離（d2）基本相同，且d2=110-230mm之間，且燃燒體系四周邊緣距燒結(jié)模具四周內(nèi)壁的距離為d3=3-10mm之間，以保證有足夠的壓力反饋，在這個(gè)原則下，根據(jù)不同信息的燃燒體系使用不同的燒結(jié)模具，燒結(jié)模具的內(nèi)徑d=d1+2d2+2d3。