金屬陶瓷刀具及其微波制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波燒結(jié)材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種TiCNAl2O3金屬陶瓷刀具及其微波制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]相比于傳統(tǒng)的高速鋼刀具，WC基硬質(zhì)合金刀具以更加優(yōu)異的切削性能和加工效率在金屬加工領(lǐng)域得到廣泛的運用，然而，WC基硬質(zhì)合金刀具材料的制備需要使用大量的鎢(W)資源。而W同時也是國防軍工領(lǐng)域所必須的一種戰(zhàn)略且不可再生資源。同時，WC開始氧化的溫度約為600°c，而在高速切削當(dāng)中，刀具與工件的溫度往往要達到1000°C以上，在如此高的溫度下，將會極大地影響WC基硬質(zhì)合金刀具的切削性能。TiCN基金屬陶瓷刀具是以TiCN為硬質(zhì)相的新型刀具材料，相比于WC基硬質(zhì)合金刀具，其優(yōu)良的高溫性能如高的紅硬性，高溫抗軟化能力和抗氧化能力使其在刀具領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)相關(guān)的文獻資料，TiCN基金屬陶瓷的硬度通常在ll_15GPa之間(Gong J, et al.Effect ofmetallic binder content on the micro hardness of TiCN—based cermets Mat.Sc1.Eng.A 359(2003) 391-395 ;Liu N，et al.Effect of nano-micro TiN addit1n on themicrostructure and mechanical properties of TiC based cermets.J.Eur.Ceram.Soc.22 (2002) 2409-2414)，其硬度相對于Al2O3基，Si 3N4基陶瓷刀具仍顯不足，為提高TiCN基金屬陶瓷的硬度，本發(fā)明通過添加亞微米級的Al2O3來實現(xiàn)金屬陶瓷刀具硬度的提高。
[0003]微波燒結(jié)作為一種新興的燒結(jié)技術(shù)，因其優(yōu)于常規(guī)燒結(jié)方法而越來越多地被應(yīng)用于陶瓷材料，硬質(zhì)合金材料以及一些合金材料的制備上，其相關(guān)實驗結(jié)果也驗證了微波燒結(jié)能夠有效提高材料活化能，促進材料致密化，改善材料的微觀組織性能(Brosnan K.H.etal.Microwave sintering of alumina at 2.45GHz J.Am.Ceram.Soc.86(2003) 1307-1312 ；A Mondal A U D A.Effect of heating mode and sintering temperature on theconsolidat1n of 90W - 7N1- 3Fe alloys[J].J.Alloys.Compd, 509(2011)301-310)o
[0004]中國發(fā)明專利(CN104480364A)公開了一種Al203-TiCN/Co_Ni金屬陶瓷模具材料及其制備方法，該金屬陶瓷由Al2O3為40%-70%、TiCN微米粉為30%、Co、Ni為0%-30%構(gòu)成，利用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出了具有較高力學(xué)性能的陶瓷材料，但其以Al2O3為基體，雖然可以保證材料的硬度，但卻降低了材料的斷裂韌性，同時，由于真空熱壓燒結(jié)在燒結(jié)過程中容易在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱梯度，極易在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力影響自身的力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目地在于利用微波燒結(jié)技術(shù)，制備出一種具有高硬度，高韌性的金屬陶瓷刀具。
[0006]本發(fā)明的構(gòu)思是通過在TiCN基體中添加亞微米級的a -Al2O3，利用a -Al2O3自身的高硬度來提高刀具材料的整體硬度。采用微波燒結(jié)技術(shù)，通過優(yōu)化金屬粘結(jié)相的比例、升溫速度、燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)，實現(xiàn)在短時間內(nèi)制備出綜合力學(xué)性能較高的TiCNAl2O3金屬陶瓷刀具材料。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是:一種TiCNAl2O3金屬陶瓷刀具，以重量百分?jǐn)?shù)計，包含如下組分:TiCN 40% -60%, α -Al2035% -15%, Mo2C 5% -15%, WC5% -15%,Co 和 Ni 15% -25%。
[0008]一種TiCN/Al203金屬陶瓷刀具的微波制備工藝，包括如下步驟:
[0009](I)按比例稱取TiCN、a -Al2O3.Mo2C, WC、Co和Ni粉末，并進行球磨混合；
[0010](2)制備質(zhì)量濃度為1-10%的聚乙烯醇溶液，并在球磨結(jié)束前2小時加入到步驟
(I)的混合粉末中；
[0011](3)將球磨后的混合料進行干燥，然后研磨并過70目-200目篩篩選粉料；
[0012](4)將篩選好的粉料壓制成型，成型壓力為200MPa_350MPa，保壓時間為lmin_3min ；
[0013](5)在40-60kPa氮氣壓力氛圍下，采用微波處理工藝，以50-80°C/min的升溫速率將溫度升至650°C _800°C，分別以20°C /min,30 °C /min或50°C /min的升溫速率從6500C -800°C升到 1450°C _1600°C，并保溫 10min_30min，隨后隨爐冷卻。
[0014]步驟(I)中，所述的球磨混合是將稱取的粉末放入行星球磨罐中，以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合40h，其中，磨球為氧化鋁磨球，球料比為8:1。
[0015]步驟(I)中，TiCN及a -Al2O3的粒徑均彡0.5 μπι，Mo 2C、WC、Co和Ni粉末粒徑< 2.5 μ m0
[0016]步驟(3)中，所述的干燥溫度不高于80°C。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0018](I)本發(fā)明構(gòu)思新穎，通過添加硬質(zhì)相顆粒a -Al2O3，有效提高了 TiCN金屬陶瓷刀具材料的硬度，硬度最高可達為17.06Gpa?
[0019](2)本發(fā)明通過保持一定的金屬含量，顯著改善了材料的斷裂韌性，其斷裂韌性最高可達 12.03MPa.m1/2。
[0020](3)利用微波燒結(jié)工藝，實現(xiàn)了對材料的快速燒結(jié)，并且該工藝設(shè)備簡單，成本低廉，具有較高的市場推廣價值。
【附圖說明】
[0021]圖1為刀具材料制備及燒結(jié)的流程示意圖。
[0022]圖2為燒結(jié)過程中微波燒結(jié)工藝參數(shù)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例1:
[0024]結(jié)合圖1，本發(fā)明一種TiCNAl2O3金屬陶瓷刀具材料的微波制備按質(zhì)量百分比TiCN 40%, a -Al2O315%,Mo2C 10%,WC 10%、Co 和 Ni 25%配料并進行球磨混合，配制濃度為I %的聚乙烯醇溶液，并在球磨結(jié)束前2小時加入混合粉末中，將球磨后的粉末烘干過70目篩，將篩好的粉料干壓成型，壓力為200MPa，保壓時間為Imin ;將成型試樣置于微波燒結(jié)爐中，開啟真空泵，待爐體內(nèi)抽至真空狀態(tài)后，向爐內(nèi)充入60KPa的氮氣，然后開啟微波電源進行加熱，結(jié)合圖2，用50°C /min的速度將試樣加熱至650°C，用20°C /min的升溫速度，加熱至1550°C，在此溫度下保溫30min，然后隨爐冷卻至室溫。經(jīng)測試得，材料的維氏硬度為 14.96GPa (HV20)，斷裂韌度為 10.2 IMPa.m1/2。
[0025]實施例2:
[0026]結(jié)合圖1，本發(fā)明一種TiCNAl2O3金屬陶瓷刀具材料的微波制備按質(zhì)量百分比T