[发明专利]一种复合陶瓷刀具材料及其制备方法

说明书

一种复合陶瓷刀具材料及其制备方法，材料含有成分及体积百分数为Al₂O₃：80～90％，ZrO₂：5～15％，cBN：3～10％，三者体积百分数之和为100％；方法：1)准备取Al₂O₃粉末、ZrO₂粉末和cBN粉末；2)将柠檬酸铵和/或聚丙烯酸氨，溶于水制成分散剂溶液；3)将Al₂O₃粉末、ZrO₂粉末、cBN粉末和分散剂溶液，球磨混料后，干燥，制得的混合粉末；4)将混合粉末，在真空或惰性气体气氛下热压烧结，制得Al₂O₃‑ZrO₂‑cBN复合陶瓷刀具材料。本发明方法添加ZrO₂和cBN起到增韧的作用；添加少量的cBN避免了烧结需要的高温高压条件；通过分散剂的选取，解决了混料过程中纳米尺寸粉末的团聚问题；制备的材料中氧化锆全部为四方相，氮化硼仍保持立方相。

技术领域

本发明属于陶瓷刀具材料技术领域，具体涉及一种复合陶瓷刀具材料及其制备工艺。

背景技术

近年来，陶瓷和立方氮化硼等刀具材料的使用比例正在逐年增加，这一方面是由于高速钢、硬质合金等刀具无法满足淬火钢、高温合金等难加工材料的加工需求；另一方面，陶瓷刀具和立方氮化硼具有优异的高温硬度和化学稳定性，使得其在切削加工中具有独特的优势。

Al₂O₃具有优异的室温和高温硬度，耐磨性和抗氧化性，使得Al₂O₃成为应用最广泛的陶瓷刀具材料之一。然而，较低的断裂韧性导致其在切削过程中容易产生崩刀，较低的导热性会造成切削区域温度过高而影响工件表面质量，因而大大限制了其发展。因此，提高氧化铝基陶瓷刀具的韧性和导热性是研发新型陶瓷刀具材料要解决的主要问题。

众说周知，t-ZrO₂因其特有的四方相向单斜相的转变，发生体积膨胀，以阻止裂纹的扩展，能明显起到增韧的作用。但ZrO₂的硬度偏低，会造成ZrO₂增韧Al₂O₃的复合材料的硬度降低，耐磨性下降。

cBN具有仅次于金刚石的超高硬度、耐磨性和导热性，并且其高温稳定性远强于金刚石，因而cBN在短短几十年的时间就得到迅速的发展。但由于cBN的强共价键，使得cBN刀具材料通常是在超高压下制备的。苛刻的烧结条件是制备cBN刀具材料面临的最大问题。

专利CN 1293016C公开了一种Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。该材料组分包括体积百分比为65～90％的Al₂O₃和摩尔百分比含1.5～3.5％Y₂O₃的ZrO₂纳米粉，其体积百分比为10～35％。烧结温度为1500-1650℃，保温时间为0.5-2.5小时。所制备的陶瓷刀具材料的抗弯强度为750～950MPa，断裂韧性为7.8～9.6MPa·m^1/2。

专利CN 103641456 B公开了一种高强度纳米复合陶瓷材料及其制备方法，该材料的特征在于，各组分按重量百分比：纳米ZrO₂2.5～5份，亚微米Al₂O₃40～45份，纳米TiC 30～40份，纳米BN 0.5～4份以及纳米B₄C 1～4分，其余为纳米MgO。制备复合材料的烧结工艺为1500～1700℃，其硬度为13.4～18.3GPa，抗弯强度为620～720MPa，断裂韧性为5.8～8.5MPa·m^1/2。