[其他]高耐磨性高韧性氮化硅基陶瓷刀具材料

说明书

本发明涉及一种改进的氮化硅（Si₃N₄）基陶瓷材料，特别是一种适宜于用作刀具的由氮化硅基体、耐磨的分散相和耐高温的晶界相组成的陶瓷材料。

近年来氮化硅作主晶相基体，碳化钛（TiC）作耐磨分散相做成的刀具，具有很好的切削效果，这是因为氮化硅和碳化钛都有很好的耐磨性。但是以往这类刀具材料的晶界相，常常是高温性能较差的玻璃相，在切削温度下由于晶界玻璃相的软化将会影响到刀具的切削性能。欧洲专利EP0035777，采用氮化硅作基体，碳化钛作耐磨分散相，氧化钇（Y₂O₃）等，作为致密化助剂。实际上，由致密化助剂和材料中的杂质如SiO₂等所形成的晶界常为玻璃相，因而影响刀具的耐磨性和切削寿命。

由于在切削过程中，刀尖部分温度很高，可达1000℃以上。因此晶界玻璃相不良的耐热性将严重影响氮化硅主晶相固有耐磨性能的发挥，从而影响刀具的切削性能和切削寿命。

本发明的任务就是维持Si₃N₄作为主晶相基体和耐磨的TiC作为分散相，通过改变致密化助剂和适当的工艺，来改善Si₃N₄晶界相的结构，从而提高其耐热性和高温强度，增加刀尖部分在切削高温下的耐磨性。

本发明的任务以下述两方面来完成，在配料中除加少量的Y₂O₃或其他稀土氧化物，还可加入Al₂O₃或MgAl₂O₄，MgO，ZrO₂等氧化物中的一种或一种以上的混合物，为了阻止晶粒过分发展和促进致密化的作用，还加入少量AlN;为了尽可能减少晶界的玻璃相，提高晶界相的耐热性，可对材料进行退火处理，使晶界形成一部分熔点较高的结晶相。如钇铝石榴石、氧氮化铝硅固溶体等，由于致密化助剂的加入量是很小的，所以主晶相仍为β-Si₃N₄。通过上述措施，最后可获得高耐磨性高韧性的陶瓷刀具材料。

对本发明的详细描述如下：根据本发明，在重量100份的α-Si₃N₄粉末中，外加入耐磨的分散相TiC粉末5～30份，致密化助剂Y₂O₃或其他稀土氧化物1～10份，Al₂O₃或其他氧化物如MgAl₂O₄，ZrO₂，MgO等，0.5～5份，AlN0.5～5份。

对原材料的技术要求可为：Si₃N₄粉末中α相大于90%，纯度＞95%，平均粒径在0.1～2.0μ范围内;TiC的纯度＞98%，平均粒径在0.1～3μ范围内;致密化助剂的纯度大于98%，平均粒径为0.1～3μ的范围。

根据本发明，这种耐磨的氮化硅基陶瓷刀具材料，可采用热压或高温等静压法来达到致密化。热压的温度范围可为1600～1850℃，压力可为150～400kg/cm²，恒温时间可为15～90分钟。其工艺过程如下：将α-Si₃N₄、TiC、致密化助剂等粉末按合适的比例称量，进行混磨、烘干、造粒，然后将混合粉末装入石墨模具中，置于热压炉内进行升温加压工艺，得到的β-Si₃N₄为基的材料，再进行退火处理，退火是在氮气或氩气中进行，退火温度可在1200～1500℃范围内，升温时间为0.5～2小时，恒温时间为0.5～4小时，最后切割成刀片使用。

用本发明所述的工艺制得的高耐磨性氮化硅基陶瓷材料，其主晶相应为β-Si₃N₄分散相为TiC，其晶界相应为结晶相与极小量玻璃相。

根据本发明所制得的高耐磨性氮化硅基陶瓷材料，可用来加工淬硬钢，冷硬铸铁等难加工材料，不仅可以作刀具，还可用来制作精密轴承、轴套、量块、导轨、喷嘴和拔丝模等多种机械零部件。