氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及新材料，尤其是一種氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的制備方法。粉末質量配比為wt％:Ti(C0.5,N0.5):85％～87.8％Mo:5.4％Ni:6.6％BNNTs:0.2～3.0％；制備工藝為:將配比中除BNNTs以外的其它粉末裝入聚氨酯球磨筒中，用滾筒式球磨機酒精濕球磨48小時；再將配比中的BNNTs粉末在酒精中超聲機械攪拌20～30min分散納米管；再將BNNTs與其它粉末混合,再球磨混料3～5小時；再將全部混合料放入真空干燥箱經(jīng)100～120℃干燥，過100目篩后封裝待用。按刀具制備用量稱取粉末，裝入石墨模具，經(jīng)真空燒結爐26min升至1300℃，施壓16MPa、保溫10min，再以50℃/min升溫至1450～1550℃，施壓32MPa、保溫30～45min熱壓燒結成型。本發(fā)明抗彎強度高、工藝簡單、易于產(chǎn)業(yè)化，并用于陶瓷模具、陶瓷噴嘴、陶瓷軸承的制備。
【專利說明】氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的制備方法
一、【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及新材料【技術領域】，尤其是一種氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的制備方法。
二、【背景技術】
[0002]陶瓷刀具以其優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和化學穩(wěn)定性，在高速切削領域和切削難加工材料方面顯示出傳統(tǒng)刀具無法比擬的優(yōu)勢。其中，碳氮化鈦基金屬陶瓷是近年來發(fā)展較快的一種金屬陶瓷刀具材料，其性能介于陶瓷和硬質合金之間，既保持了較高的硬度和耐磨性及良好的化學穩(wěn)定性，又具有較高的抗彎曲強度和斷裂韌度，在加工范圍上填補了二者之間的空白。然而在碳氮化鈦基體中只添加適量Ni和Mo時其抗彎強度僅為1000~1300MPa;大量增加金屬相雖可以繼續(xù)提高碳氮化鈦金屬陶瓷的強韌性，但過高金屬含量的金屬陶瓷不適合用作高速切削刀具，因此有必要通過選擇其他更合理的增強相以大幅度提高其抗彎強度。
[0003]碳納米管(CNTs)具有強度、韌性高、彈性模量大等優(yōu)異的力學性能，其作為一維材料對陶瓷等脆性材料具有較好的增韌補強作用，被認為是最具潛力的陶瓷增強相之一；但碳納米管因高溫氧化而不能勝任做高速切削用陶瓷刀具材料的增強體。氮化硼納米管(BNNTs)具有與碳納米管相似的結構和性質，如高強度、高導熱性等，但氮化硼納米管具有比碳納米管更高的化學穩(wěn)定性和高溫抗氧化能力，因此在陶瓷刀具材料增強方面具有比碳納米管更大的優(yōu)勢。
三、
【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的，在于克服現(xiàn)有碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料強韌性不足的缺陷和解決碳納米管因高溫氧化難以勝任做高速切削用刀具材料添加相的難題，提供一種氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的制備方法。
[0005] 本發(fā)明的基本構思是將氮化硼納米管作為增強相添加到碳氮化鈦基金屬陶瓷材料中，通過真空熱壓燒結工藝制備出致密的復合刀具材料；通過優(yōu)化原始粉末組份配比、燒結溫度和保溫時間等工藝參數(shù)，制備出一種具有較高綜合力學性能的氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料。
[0006]氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的原始粉末質量配比為:
[0007]Ti (C0.5, N0.5):85%~87.8% Mo:5.4% N1:6.6% BNNTs:0.2 ~3.0% ;
[0008]制備工藝過程為:(I)將按質量配比配制的氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的原始粉末中除BNNTs以外的其它原始粉末，按比例稱量后裝入聚氨酯球磨筒中，以碳化鎢球為球磨球，酒精為球磨介質，封閉后放在滾筒式球磨機上濕球磨48小時；
(2)將原始粉末質量配比中，按照比例稱量的BNNTs粉末在酒精介質中超聲并機械攪拌20~30min以分散納米管；(3)將經(jīng)過工藝(2)分散后的BNNTs粉體與經(jīng)過工藝(I)球磨過的其它復合粉末漿料混合，在聚氨酯球磨筒中繼續(xù)球磨混料3~5小時；(4)將球磨后的全部組份的混合料放入真空干燥箱中進行干燥，干燥溫度為100~120°C，干燥后過100目篩，將過篩后的粉體封裝待用；(5)將封裝的粉體取出，按照刀具制備需要的用量稱取混合粉末，裝入高強度石墨模具中，然后放入真空燒結爐中；(6)在真空氣氛下，用26min升至1300°C，并在此溫度下施加壓力16MPa、保溫IOmin ； (7)保溫結束后，以50°C /min的升溫速率升至1450~1550°C，在此溫度下施加壓力32MPa、保溫30~45min的條件下熱壓燒結成型。
[0009]本發(fā)明所使用的設備簡單且安全性好，成本較低，制備工藝穩(wěn)定，操作處理簡單，生產(chǎn)效率高。復合后的陶瓷刀具材料具有優(yōu)異的綜合力學性能，因BNNTs納米管處于晶界位置，起到細化基體晶粒并強化晶界的作用，因此氮化硼納米管增強的碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料其抗彎強度能達到1785MPa，比不添加BNNTs納米管的碳氮化鈦基金屬陶瓷提高了 37%以上；斷裂韌度達到5.86MPa.πι1/2，同比提高8.3%.該發(fā)明還可以廣泛應用于陶瓷熱擠壓模具、陶瓷噴嘴、陶瓷軸承等高溫、耐磨結構件的開發(fā)制備。
四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為氮化硼納米管含量為0.5wt%的金屬陶瓷復合材料斷口掃描電鏡照片SEM ；
[0011]圖2為氮化硼納米管含量為3.0wt %的金屬陶瓷復合材料斷口掃描電鏡照片SEM。
五、實施例:
[0012]按實施例參 數(shù)附表中所列的組份比例，先將按質量配比配制的氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的原始粉末中，除BNNTs以外的其它原始粉末按比例稱量后裝入聚氨酯球磨筒中，以碳化鎢球為球磨球，酒精為球磨介質，封閉后放在滾筒式球磨機上濕球磨48小時；將原始粉末質量配比中按比例稱量的BNNTs粉末在酒精介質中超聲分散并機械攪拌20~30min ;將分散后的納米管粉料裝入聚氨酯球磨筒中，與其它復合粉末球磨混料3~5小時；將球磨后的混合料放入真空干燥箱中進行干燥，干燥溫度為100~120°C，干燥后過100目篩，將過篩后的粉體封裝待用；根據(jù)制備刀具需要的用量稱取干燥后的復合粉體，裝入高強石墨模具中，然后放入真空燒結爐中；在真空氣氛下，用26min升至1300°C，并在此溫度下施加壓力16MPa、保溫IOmin ;保溫結束后，按照實施例參數(shù)附表的工藝條件熱壓燒結成型。
[0013]實施例參數(shù)附表
[0014]
【權利要求】
1.氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的制備方法，其特征為原始粉末質量配比為Wt %:
Ti (C0.5) N0.5):85%~87.8% Mo:5.4% N1:6.6% BNNTs:0.2 ~3.0% ; 制備工藝過程為:(I)將按質量配比配制的氮化硼納米管增強碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料的原始粉末中除BNNTs以外的其它原始粉末，按比例稱量后裝入聚氨酯球磨筒中，以碳化鎢球為球磨球，酒精為球磨介質，封閉后放在滾筒式球磨機上濕球磨48小時；(2)將原始粉末質量配比中，按照比例稱量的BNNTs粉末在酒精介質中超聲并機械攪拌20~30min以分散納米管；(3)將經(jīng)過工藝(2)分散后的BNNTs粉體與經(jīng)過工藝(I)球磨過的其它復合粉末漿料混合，在聚氨酯球磨筒中繼續(xù)球磨混料3~5小時；(4)將球磨后的全部組份的混合料放入真空干燥箱中進行干燥，干燥溫度為100~120°C，干燥后過100目篩，將過篩后的粉體封 裝待用；(5)將封裝的粉體取出，按照刀具制備需要的用量稱取混合粉末，裝入高強度石墨模具中，然后放入真空燒結爐中；(6)在真空氣氛下，用26min升至1300°C，并在此溫度下施加壓力16MPa、保溫IOmin ； (7)保溫結束后，以50°C /min的升溫速率升至1450~1550°C，在此溫度下施加壓力32MPa、保溫30~45min的條件下熱壓燒結成型。
【文檔編號】C22C49/02GK103952650SQ201410166334
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權日:2014年4月23日
【發(fā)明者】劉含蓮, 柴雅聰, 黃傳真, 劉華賀, 白玉俊, 鄒斌 申請人:山東大學