[发明专利]一种梯度复合陶瓷刀具材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种梯度复合陶瓷刀具材料TiB₂/TiC/WC及其制备方法。本发明的梯度复合陶瓷刀具材料以TiB₂‑20wt%TiC为基体、以梯度方式添加增强相WC，以Ni、Mo为烧结助剂，经热压烧结而成。该梯度复合陶瓷刀具材料具有组分关于中间层对称的梯度层结构，WC含量从中间层到表面层逐层增加。在保持材料较高的断裂韧性和抗弯强度的同时，利用各层热膨胀系数差异在表层产生压应力以提高表层硬度，所得梯度复合陶瓷刀具材料可以制作高速切削刀具材料以及高温耐磨结构件等。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷刀具材料及其制备方法，尤其是一种梯度复合陶瓷刀具材料及其制备方法。

背景技术

TiB₂、TiC具有高硬度、高熔点、耐磨损的优点且有良好的导电性，可用电加工实现成型加工，使其在工业上得到广泛应用，但单一相TiB₂、TiC具有较低抗弯强度与断裂韧性，这限制了其作为结构材料的应用范围。

金属相和陶瓷相的添加可以提高TiB₂、TiC陶瓷基体的力学性能、改善微观结构和烧结性能。(Ni，Mo)作为烧结助剂在1650℃进行热压烧结TiB₂基陶瓷刀具材料，其相对密度达到99.3％，烧结过程中生成的液相MoNi可以有效润湿晶粒边界、抑制TiB₂基体晶粒增长，促进复合材料致密化([1]J.P.Song,C.Z.Huang,M.Lv,et al.,Effects of TiC contentand melt phase on microstructure and mechanical properties of ternary TiB2-based ceramic cutting tool materials,Mater.Sci.Eng.A605(2014)137–143.)；陶瓷相WC的添加可以抑制TiB₂-TiC基体晶粒异常长大提高复合材料抗弯强度和断裂韧性([2]Song J,Huang C,Zou B,et al.Microstructure and mechanical properties of TiB₂–TiC–WC composite ceramic tool materials[J].Materials&Design,2012,36(9):69-74.)。TiB₂在摩擦高温作用下还能氧化生成具有润滑作用的反应膜，提高复合材料的减摩与耐磨性能([3]Ouyang J H,Yang Z L,Liu Z G,et al.Friction and wear propertiesof reactive hot-pressed TiB₂–TiN composites in sliding against Al₂O₃ball atelevated temperatures[J].Wear,2011,271(9):1966–1973.)。

将梯度结构引入TiB₂-TiC基陶瓷刀具材料的设计中不仅能保持金属相、陶瓷相改善复合材料微观结构、提高力学性能的作用，且在表层形成的残余压应力能有效抑制裂纹的产生和扩展，提高了复合材料的抗弯强度、硬度和断裂韧性。在高速加工条件下由于高的切削温度，陶瓷刀具的强度变化以及变形是陶瓷刀具磨损、破碎、失效的主要原因([4]Y.W.Bao,Y.M.Wang,Z.Z.Jin,Creep of stress ageing of Al₂O₃/SiC multiphaseceramics at high temperature,J.Chin.Ceram.Soc.28(2000)348–351.)；有研究表明梯度陶瓷刀具内的热应力明显比普通均质陶瓷刀具小，梯度陶瓷刀具更适合高速加工([5]王永国,艾兴,李兆前等.梯度功能陶瓷刀具的热应力分析[J].机械工程学报,2003,39(4):53-55.)，为进一步提高TiB₂-TiC基陶瓷刀具材料力学性能、改善烧结性能，拓宽其应用范围提供了一种新思路。

发明内容