[发明专利]一种纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合陶瓷刀具材料及其制备方法，属于陶瓷刀具材料技术领域。

背景技术

陶瓷刀具硬度高、耐磨性能好，不易与金属产生粘结，并且化学稳定性好，在难加工材 料的加工领域具有硬质合金刀具无法比拟的优势。同时，陶瓷刀具主要成分铝、硅等元素来 源广泛，开发和使用陶瓷刀具可以节约战略性贵重金属(主要是钨)的消耗。但是，陶瓷刀 具材料自身固有的脆性限制了它的应用范围，在加工中刀具常常因破损而失效。因此，研究 如何在保持陶瓷刀具材料原有优点的基础上提高其断裂韧性和抗弯强度就变得很有意义。

另一方面，现代制造技术正向着高速切削的方向发展，然而很高的切削速度致使刀具承 受更高的切削温度，此时刀具材料的热性能(包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力 学性能、抗热冲击性能等)成为决定刀具寿命的主要因素。因此，寻找提高刀具材料热性能 尤其是高温力学性能的途径具有重要意义。

《理化检测-物理分册》在2002年38(9)：378-380页公开的《TiC与TiC-WC的添加对 FeAl/Al₂O₃复合材料力学性能的影响》通过在FeAl/Al₂O₃复合材料基体中添加TiC-WC固溶体 同时提高了材料的抗弯强度和断裂韧性。

公开号为CN1059328A的中国专利申请公开了一种《一种陶瓷刀具材料》，是选用氧化铝 作为耐磨相，碳化钨、碳化钛饱和固溶体作为硬质相，优选合适的金属组份钴(或镍)、钼(或 钨)、铝和钛等以加强材料组织的接合，并添加晶粒生长抑制剂以阻止晶粒长大，制备出一种 可加工多种淬硬钢、高强度钢等难加工材料的刀具材料。

虽然以TiC-WC固溶体形式添加硬质相在一定程度上可以提高硬度，但是不便于调整硬质 相的相对含量；而且，目前技术水平难以获得纳米级TiC-WC固溶体，无法利用纳米粒子增强 增韧的特点。虽然在复合陶瓷材料中添加部分金属可以加强材料组织的接合强度，但仅限于 在低温下提高强度，仍然无法提高材料的高温力学性能。

发明内容

本发明针对现有陶瓷刀具材料在高温力学性能方面存在的不足，提供一种适合高速硬切 削的复合陶瓷刀具材料，同时提供一种该材料的制备方法，旨在保持陶瓷刀具材料原有优点 的条件下，改善陶瓷刀具材料的综合力学性能、特别是高温力学性能。

本发明的复合陶瓷刀具材料按体积百分比包括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的中位粒径为140纳米。

TiC和微米WC体积之和占整个材料组成体积的30～45％。

上述复合陶瓷刀具材料的制备方法包括以下步骤：

(1)配料：按体积百分比分别取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粉末的中位粒径为140纳米；

(2)TiC颗粒的分散：首先以分子量为4000的聚乙二醇(PEG)为分散剂，以去离子水 为分散介质，配制含聚乙二醇质量百分比为0.0335％的水溶液；将TiC粉末加入到配制的水 溶液中配成TiC质量百分比为6.7％的悬浮液，将悬浮液放在超声分散搅拌机上分散15～20 分钟，取下后采用氨水滴定法将悬浮液的PH值调整为9.5～10，使悬浮液呈碱性；

(3)混料：将所取微米Al₂O₃、WC、MgO和NiO与步骤(2)中配制好的悬浮液进行混合，放 在超声分散搅拌机上分散20～30分钟后倒入混料桶中，在球磨机上混合48～72小时，再经 过真空干燥、过筛，得到分散良好的复合粉末料；

(4)烧结：采用热压烧结工艺，在氮气保护气氛中将步骤(3)制备的复合粉末料烧结，在 从室温加热到保温阶段温度时，升温速度为75～85℃/分钟，压力平稳均匀地加至30MPa；保 温阶段温度为1650～1750℃，压力30MPa，保温时间10～30分钟。

通过以上步骤，可制得粒度分布均匀、硬度高、抗弯强度高、断裂韧性好的氧化铝-碳化 钛-碳化钨复合陶瓷刀具材料。