[发明专利]多相高强度、高耐磨氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化硅陶瓷刀具材料的制备方法，一种多相高强度高耐磨用于加工铸铁及合金刀具材料及刀具的制备方法。

背景技术

近年来，氮化硅陶瓷刀具由于其较高的硬度，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。但是，随着现代化加工技术要求的不断提高，对相应材料性能的要求也水涨船高，对材料由于其性能的差别分工也越加细化，根据加工产品的性能不同使用之相匹配的的陶瓷刀具材料，既可以提高加工效率，又可以节省材料的损耗。

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，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。

也有科学家通过添加ⅣBⅤBⅥB族金属元素的碳化物、氮化物以及碳氮化物晶须增韧陶瓷材料，并提高耐磨性，取得了很好的效果，但是晶须增韧相对.成本较高，一般用于钢材的加工，并且晶须容易出现混合不匀的情况。

但是，同时还有研究表明，晶须增强陶瓷并不是其本身强度增强，而是因为晶须的尺寸和形状起到的作用。

中国专利CN101538161中公开了一种氮化硅陶瓷材料在陶瓷轴承球制备中的应用，采用气氛烧结的方法，使用多种稀土氧化物烧结助剂，生产出一种综合性能较高的氮化硅陶瓷材料，但是气氛烧结的方法对材料的致密性有影响，生产出来的产品耐磨性不足，并且在烧结助剂的选择上仍然可以细化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于加工铸铁及合金的多相高强、高耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明用重量百分比为94%-96%的α-Si₃N₄粉末，1%的β-Si₃N₄晶种，长径比2:1-5:1，2wt%-3.5wt%的三种及以上稀土金属氧化物助剂，1wt%-2wt%的次致密化助剂金属氧化物和金属氮化物，混合，球磨，烘干后放入石墨磨具中在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中升温至1400℃-1450℃下保温3-5min，再升温至1750-1800℃保温20-40min后，在1350℃退火1小时。

作为本发明的一种优选，次致密化助剂金属氧化物不是稀土金属氧化物，是MgO、Al₂O₃和AlN的混合物。

作为本发明的另一种优选，三种及以上稀土金属氧化物的离子半径成阶梯型分布。

作为本发明的再一种优选，三种及以上稀土金属氧化物包括Y₂O₃,La₂O₃,Yb₂O₃。

将按照上述方法所制成的陶瓷材料加工成所需测试样品，镜面抛光，测量强度及硬度，得到的陶瓷材料室温下抗弯强度为900-1000MPa，断裂韧性为8-10MPa/m²，硬度为92-94.5HRA，在保证现有技术的性能降低不多的情况下，提高了材料的硬度及耐磨性。

本发明所要解决的另外一个技术问题是提供一种加工铸铁和合金的氮化硅陶瓷刀具的制备方法，其步骤在于，采用上述制备氮化硅刀具材料的方法，生产出陶瓷毛坯刀具，平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨做成氮化硅陶瓷刀片。

将制好的氮化硅陶瓷刀具置于机床上，进行车削试验，加工工件为QT450-10，进给量f=0.3mm/r切削速度υ=600m/min,切削深度a_p=2.0mm，切削长度为1000m时，后刀面磨损小于0.4mm，高于目前市场上商业化刀具的切削水平。

如上所述刀具也可以采用PVD或CVD的方法在刀具表面镀膜。

具体实施方式

本发明在现有技术的基础上通过对烧结助剂的进一步改进,引进塞隆相，减少晶间相，在确保现有技术中的抗弯强度和韧性降幅较小的前提下，提高材料的硬度耐磨性，实现刀具在高速切削条件下较小损耗。