[发明专利]一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用，属于陶瓷材料技术领域。本发明提供的高强高导热氮化硅陶瓷刀具，按质量百分比计，制备所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括70～90％的α‑Si₃N₄粉末，0.5～1％的β‑Si₃N₄晶种，2～5％的稀土氧化物，5～10％的具有金属镀层的金刚石和余量的烧结助剂。实施例的结果显示，本发明提供的高强高导热氮化硅陶瓷刀具的抗弯强度超过1100MPa，断裂韧性超过11.5MPa/m²，维氏硬度超过18GPa。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用。

背景技术

高温合金按基体元素进行分类，主要为铁基、镍基、钴基等高温合金。镍基高温合金具有较高的硬度、优良的高温强度、热稳定性及抗热疲劳性能，在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，主要用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件，因此它广泛应用于航空航天、船舶、核工业、电站等行业。目前对高温合金进行加工的方式主要为切削加工，但是由于高温合金具有高强高硬性和良好的高温稳定性，使得高温合金在切削加工过程中需要很大的切削力，导致切削过程中的温度很高，最高可达1000℃左右，从而导致切削的刀具加工硬化严重，塑性变形大，刀具易磨损，需要频繁的更换刀具，不仅增加了生产成本，同时容易影响切削效果。

近年来，氮化硅陶瓷刀具由于具有较高的硬度，强度，断裂韧性，较小的膨胀系数，耐高温以及自然界取之不尽的硅、氮等元素，在现代化加工领域得到广泛地应用。而氮化硅陶瓷材料的性能取决于其微观结构，科学家通过添加助剂和改变烧结方式改变其微观结构，美国专利US7968484中采用热压的方法通过对烧结助剂的调整以及添加贝塔氮化硅晶种得到由β氮化硅相和晶界相组成的陶瓷材料，室温下抗弯强度为1000MPa，断裂韧性为9MPa/m²，然而这种方法生产的陶瓷材料的硬度不高，导热性能也较差，在刀具的应用上无法满足一般要求，在高速切削过程中磨损很快，使得刀具的使用寿命降低，更换频繁。

因此，提供一种强度高、导热性能好、使用寿命长的陶瓷刀具，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用，本发明提供的强高导热氮化硅陶瓷刀具具有强度和硬度高，断裂韧性好，同时切削性能优异，使用寿命长的优点。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具，按质量百分比计，制备所述高强高导热氮化硅陶瓷刀具的原料包括70～90％的α-Si₃N₄粉末，0.5～1％的β-Si₃N₄晶种，2～5％的稀土氧化物，5～10％的具有金属镀层的金刚石和余量的烧结助剂。

优选地，所述β-Si₃N₄晶种的长径比为(2～5)：1。

优选地，所述稀土氧化物包括Y₂O₃、La₂O₃、Yb₂O₃、Sc₂O₃、Ce₂O₃、Pr₂O₃、Nd₂O₃、Lu₂O₃、Tb₂O₃和Tm₂O₃中的至少一种。

优选地，所述具有金属镀层的金刚石中金刚石的粒径为10～100μm。