[发明专利]氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法，属刀具材料技术领域。

背景技术

陶瓷刀具材料由于具有高硬度、高耐磨性、高耐热性和高的化学稳定性等优良的性能，在高速切削领域和切削难加工材料方面同涂层刀具在内的硬质合金刀具相比具有较明显的优势。但是氮化硅基陶瓷刀具材料也有其本身的弱点，比如强度和韧性较低、热膨胀系数较高、导热性和抗热震性较差，从而限制了其应用范围。

目前国内外也对此进行了大量的研究，采用优化烧结工艺、添加第二相、自增韧机制、对材料进行相应的热处理和低温处理等等增韧补强机制来提高陶瓷材料的力学性能。

而纳米材料的出现使得陶瓷刀具材料性能的提高有了更大的空间，国内外的研究表明，在陶瓷刀具材料中加入纳米颗粒可以有效提高复合陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性，明显改善其力学性能和高温性能，如J.L.Huang等人用TiN颗粒增韧Si₃N₄基陶瓷(J.L.Huang等.Microstructure，fracture behavior and mechanical properties of TiN/Si₃N₄composites，Mater.Chem.Phys.，1996，45(3)：203-210)，C.-Y.Chu等人用Si₃N₄晶须增韧Si₃N₄基陶瓷(C.-Y.Chu等.High-Temperature Failure Mechanisms of Hot-Pressed Si₃N₄and Si₃N₄/Si₃N₄-Whisker-Reinforced Composites.J.Am.Ceram.Soc.，1993，76(5)：1349-53)。添加纳米颗粒可显著提高材料的强度，而韧性的提高则不明显，甚至有时会影响材料强度的提高，因此如何同时获得高的强度和韧性是开发氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷材料的关键所在。TiC和TiN同基体Si₃N₄相比具有更高的硬度、更高的横向断裂强度、更好的抗氧化能力和更高的热导率，能有效提高氮化硅陶瓷材料的抗弯强度。

同时，在陶瓷刀具材料中引入梯度结构可明显缓解陶瓷刀具材料的热应力，并提高抗热震性，如1998年的山东工业大学博士学位论文《新型梯度功能陶瓷刀具材料的设计制造与切削性能研究》中对梯度功能陶瓷刀具材料的研究。

发明内容

本发明针对现有氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷材料存在的强度提高显著而韧性不明显的问题，提供一种具有高强度、高韧性及高抗热震性，适合高速加工的氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷刀具材料，同时提供一种该材料的制备方法。该陶瓷刀具材料结合纳米增强相在增韧补强和梯度结构在材料高抗热震性上具有的优点，同时保持氮化硅材料原有的优点，

本发明的氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷刀具材料具有五层对称梯度层次结构，相对中心层对称的层中组分含量相同，各层厚度一致，第一层和第五层的组分按体积百分比均为61.5％的微米Si₃N₄、20.5％的纳米Si₃N₄、5％的纳米TiC、5％的纳米TiN、2％的微米Al₂O₃和6％的微米Y₂O₃，第二层和第四层的组分按体积百分比均为57.75％的微米Si₃N₄、19.25％的纳米Si₃N₄、5％的纳米TiC、10％的纳米TiN、2％的微米Al₂O₃和6％的Y₂O₃微米，第三层的组分按体积百分比为54％的微米Si₃N₄、18％的纳米Si₃N₄、10％的纳米TiC、10％的纳米TiN、2％的微米Al₂O₃和6％的微米Y₂O₃。

上述氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷刀具材料的制备方法包括以下步骤：