[其他]高韧性氮化硅基陶瓷刀具材料及其制造方法

说明书

本发明所属技术领域是陶瓷中的高温工程陶瓷。

本发明是关于以Si₃N₄为基质，加入一定量的烧结助剂，并加入一定量的未稳定ZrO₂和微细WC粉，热压或烧结制成具有高韧性的Si₃N₄基陶瓷刀具材料及其制造方法。

以往，高硬耐磨铸铁、淬硬钢等难加工材料的切削加工系采用磨削或采用硬质合金刀具、纯Al₂O₃刀具，或一般热压Si₃N₄刀具，材料抗冲击性差，切削速度低，工效低，特别在粗（荒）坯加工和断续切削等冲击较严重的情况下，更加难以胜任。

国内七十年代末期几个单位研制的热压Si₃N₄刀具材料韧性较差，抗冲击强度仅4公斤-厘米/厘米²。清华大学在Si₃N₄基体中掺加TiC进行弥散强化，抗冲击强度和断裂韧性均有所提高。国际上多采用在Si₃N₄基质中添加ZrO₂作为弥散体，进行增韧，如美国专利NO4322249，日本公开特许公报57-71871，55-47276在Si₃N₄基体中加入稳定或未稳定ZrO₂作为弥散体，制成陶瓷刀具材料。

本发明为了解决陶瓷刀具材料抗冲击性低下的问题，采用以Si₃N₄为基质，加入一定量的烧结助剂，并加入未稳定ZrO₂和微细WC粉为双弥散体，制得高韧性陶瓷刀具材料，其抗冲击性、断裂韧性和洛氏硬度均有大幅度提高。

Si₃N₄是强共价键材料，自身难以烧结，必须加入烧结助剂才能烧结，单独添加ZrO₂到Si₃N₄中，因高温下发生产生气体的反应，致使材料不能致密化。以MgO·Al₂O₃，或Y₂O₃+Al₂O₃为烧结助剂，使材料在高温下快速致密化，ZrO₃便不致与Si₃N₄发生产生气体的反应，因而可以得到高致密陶瓷材料。ZrO₂在烧结一冷却过程或烧后处理中发生相变，产生微裂纹，微裂纹在使用时吸收能量，或使用时发生相变吸收能量，起到增韧作用。高硬度的WC微细颗粒弥散分布在Si₃N₄基体中，提高了材料的微区硬度，并改善了材料的脆性，阻止了裂纹的增长。

烧结助剂的添加量在1%以下时，作用过小，材料不能烧结，添加量达15%以上时，材料性能显著恶化，刀具材料应具有的耐磨性、抗冲击性显著降低，材料不能作为刀具材料。ZrO₂添加量在1%以下时增韧效果显示不出，15%以上时，ZrO₂的变态量增加，体积膨胀量过大，烧结体可能发生破坏，WC的添加量在1～10%的范围内，便有明显效果。

将本发明的配料，在1600～1800℃，150～300公斤/厘米²压力，非氧化气氛下热压20分钟～2小时，得到高致密Si₃N₄基陶瓷烧结体。还可将掺加WC的配料与不掺加WC的配料按一定比例混合热压，制得花斑状高致密陶瓷材料。

根据本发明制造的Si₃N₄基陶瓷刀具材料，抗冲击性、断裂韧性和洛氏硬度均有显著提高。用此种材料制成的陶瓷刀具可顺利地进行高硬耐磨铸铁等难加工材料的粗（荒）坯切削加工和非连续切削加工。