本發(fā)明涉及陶瓷模具材料技術領域，具體是一種碳化硼基復合陶瓷模具材料及其制備方法。
背景技術：
模具是在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的制件的工具。廣泛用于沖裁、模鍛、冷鐓、擠壓、粉末冶金件壓制、壓力鑄造，以及工程塑料、橡膠、陶瓷等制品的壓塑或注塑的成形加工中。模具具有特定的輪廓或內腔形狀，應用具有刃口的輪廓形狀可以使坯料按輪廓線形狀發(fā)生沖裁。應用內腔形狀可使坯料獲得相應的立體形狀。模具一般包括動模和定模兩個部分，二者可分可合。分開時取出制件，合攏時使坯料注入模具型腔成形。模具是精密工具，形狀復雜，承受坯料的脹力，對結構強度、剛度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有較高要求，模具生產的發(fā)展水平是機械制造水平的重要標志之一。
模具是通信設備、工業(yè)器件、汽車零部件的制造中不可缺少的重要裝備，但是模具的工作環(huán)境，如巨大的擠壓沖擊、流動磨擦等，都會導致模具溫度升高，所以常常發(fā)生模具粘模、焊合或氧化等現象，這些都加劇了模具的磨損并大大降低了模具的使用壽命。尤其熱擠壓過程產生的較高溫度通常會使模具材料軟化和耐磨性下降、使用壽命降低以及產品的表面質量差。因此，提高模具壽命的一個重要途徑就是選用高耐磨性與高硬度的模具材料。
結構陶瓷具有優(yōu)越的強度、硬度、絕緣性、熱傳導、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕、耐磨耗、高溫強度等特色，因此，其在模具中具有廣泛的應用前景。
碳化硼陶瓷是較為常見的一種特種結構陶瓷材料，因其具有高的硬度、耐磨損性、耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及導熱性，被廣泛應用于研磨材料、氣動滑閥、熱擠壓模、軸承、噴嘴、鑄模等。本發(fā)明通過對碳化硼陶瓷材料的性能進行提升，提高碳化硼陶瓷材料的斷裂韌性、硬度、抗彎強度，可以擴大碳化硼陶瓷在模具的應用。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)異的斷裂韌性、硬度、抗彎強度以及減摩性能的碳化硼基復合陶瓷模具材料及其制備方法。
為實現上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
一種碳化硼基復合陶瓷模具材料，按照質量百分比計，由以下組分制成：碳化硼50.0～58.0％、氮化鈦21.3～24％、氧化鋁11.0～13.8％、氧化鑭1.0～1.8％、氧化鈧3.2～3.8％、氧化硼1.8～2.2％、氧化鈦1.6～2.0％、氧化硅2.1～2.4％；其中碳化硼由粒徑為5～15nm的納米碳化硼粉體和粒徑為15～25μm的微米碳化硼粉體按照質量比1：0.14～0.16的比例混合而成；氮化鈦和氧化鋁的粒徑均為15～25nm；氧化鑭和氧化鈧的粒徑均為50～100nm；氧化硼、氧化鈦和氧化硅的粒徑均為5～50nm。
作為本發(fā)明進一步的方案：按照質量百分比計，由以下組分制成：碳化硼53.0～55.0％、氮化鈦22.5～23.5％、氧化鋁12.0～12.5％、氧化鑭1.3～1.5％、氧化鈧3.4～3.6％、氧化硼1.9～2.1％、氧化鈦1.7～1.9％、氧化硅2.2～2.3％。
作為本發(fā)明進一步的方案：按照質量百分比計，由以下組分制成：碳化硼54.0％、氮化鈦22.8％、氧化鋁12.2％、氧化鑭1.4％、氧化鈧3.5％、氧化硼2.0％、氧化鈦1.8％、氧化硅2.3％。
所述的碳化硼基復合陶瓷模具材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取各原料粉末，將稱量好的粉末置于球磨罐中進行球磨混料，按照料：氧化鋯球：無水乙醇的質量比為1：2～6：1～1.5的比例加入氧化鋯球和無水乙醇，利用行星式球磨機使其充分混勻，球磨速度為400～500r/min，球磨時間為8～12h；
(2)將球磨好的粉料置于溫度為65～85℃的烘箱中加熱蒸干，邊蒸發(fā)邊攪拌，直至無水乙醇全部揮發(fā)完畢，再將烘干后的混合料磨碎，并用180～200目篩網過篩；
(3)將過篩后的混合料通過噴霧干燥工藝進行造粒，然后將造粒的粉體放入模具進行成型，最后通過冷等靜壓工藝獲得陶瓷模具素坯；
(4)采用兩步保溫法進行氣壓燒結，具體包括以下步驟：
41)將陶瓷模具素坯放入石墨坩堝，在氮氣氣氛下進行氣壓燒結；
42)首先以10～15℃/min的升溫速率升溫至900～1000℃；
43)繼續(xù)以3～5℃/min的升溫速率升溫至1200～1240℃，并在此溫度下保溫1～2h；
44)然后以3～5℃/min的升溫速率升溫至1350～1450℃，并在此溫度下保溫2～5h；
45)隨爐冷卻至100℃以下，取出，即得所述的碳化硼基復合陶瓷模具。
作為本發(fā)明進一步的方案：所述的步驟(1)中，料：氧化鋯球：無水乙醇的質量比為1：5：1.2，球磨速度為450r/min，球磨時間為10h。
作為本發(fā)明進一步的方案：所述的步驟(4)中，氮氣氣氛為1.5～10atm的氮氣。
作為本發(fā)明進一步的方案：所述的步驟42)中，氮氣氣氛為1.5atm的氮氣；所述的步驟43)中，氮氣氣氛為3atm的氮氣；所述的步驟44)中，氮氣氣氛為5atm的氮氣。
作為本發(fā)明進一步的方案：所述的步驟43)中，以3℃/min的升溫速率升溫至1220℃，保溫2h。
作為本發(fā)明進一步的方案：所述的步驟44)中，以5℃/min的升溫速率升溫至1390～1395℃，保溫3h。
與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明通過預先將納米級和微米級兩種不同級別的碳化硼粉體混合作為基體，以氮化鈦和氧化鋁為增強相，以氧化鑭和氧化鈧為穩(wěn)定劑，同時加入氧化硼、氧化鈦和氧化硅作為燒結助劑，經濕法球磨混合、烘干、造粒、壓模、氣壓燒結得到一種碳化硼基復合陶瓷模具材料，該材料不僅具有高硬度、良好的耐磨損性、耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及導熱性，還具有優(yōu)異的斷裂韌性、硬度、抗彎強度以及優(yōu)良的減摩性能，且其抗老化性和缺陷抵抗能力強，能夠滿足實際工程使用的需要，可廣泛應用于模具材料中。
具體實施方式
下面將結合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
實施例1
本發(fā)明實施例中，一種碳化硼基復合陶瓷模具材料，按照質量百分比計，由以下組分制成：碳化硼50.0％、氮化鈦24％、氧化鋁13.8％、氧化鑭1.8％、氧化鈧3.8％、氧化硼2.2％、氧化鈦2.0％、氧化硅2.4％；其中碳化硼由粒徑為5～15nm的納米碳化硼粉體和粒徑為15～25μm的微米碳化硼粉體按照質量比1：0.14的比例混合而成；氮化鈦和氧化鋁的粒徑均為15～25nm；氧化鑭和氧化鈧的粒徑均為50～100nm；氧化硼、氧化鈦和氧化硅的粒徑均為5～50nm。
所述的碳化硼基復合陶瓷模具材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取各原料粉末，將稱量好的粉末置于球磨罐中進行球磨混料，按照料：氧化鋯球：無水乙醇的質量比為1：2：1的比例加入氧化鋯球和無水乙醇，利用行星式球磨機使其充分混勻，球磨速度為500r/min，球磨時間為12h；
(2)將球磨好的粉料置于溫度為65℃的烘箱中加熱蒸干，邊蒸發(fā)邊攪拌，直至無水乙醇全部揮發(fā)完畢，再將烘干后的混合料磨碎，并用180目篩網過篩；
(3)將過篩后的混合料通過噴霧干燥工藝進行造粒，然后將造粒的粉體放入模具進行成型，最后通過冷等靜壓工藝獲得陶瓷模具素坯；
(4)采用兩步保溫法進行氣壓燒結，具體包括以下步驟：
41)將陶瓷模具素坯放入石墨坩堝，在氮氣氣氛下進行氣壓燒結；
42)首先以10℃/min的升溫速率升溫至1000℃；氮氣氣氛為1.5atm的氮氣；
43)繼續(xù)以3℃/min的升溫速率升溫至1240℃，并在此溫度下保溫1h；氮氣氣氛為6atm的氮氣；
44)然后以5℃/min的升溫速率升溫至1350℃，并在此溫度下保溫5h；氮氣氣氛為10atm的氮氣；
45)隨爐冷卻至100℃以下，取出，即得所述的碳化硼基復合陶瓷模具。
實施例2
本發(fā)明實施例中，一種碳化硼基復合陶瓷模具材料，按照質量百分比計，由以下組分制成：碳化硼58.0％、氮化鈦21.3％、氧化鋁11.0％、氧化鑭1.0％、氧化鈧3.2％、氧化硼1.8％、氧化鈦1.6％、氧化硅2.1％；其中碳化硼由粒徑為5～15nm的納米碳化硼粉體和粒徑為15～25μm的微米碳化硼粉體按照質量比1：0.16的比例混合而成；氮化鈦和氧化鋁的粒徑均為15～25nm；氧化鑭和氧化鈧的粒徑均為50～100nm；氧化硼、氧化鈦和氧化硅的粒徑均為5～50nm。
所述的碳化硼基復合陶瓷模具材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取各原料粉末，將稱量好的粉末置于球磨罐中進行球磨混料，按照料：氧化鋯球：無水乙醇的質量比為1：6：1.5的比例加入氧化鋯球和無水乙醇，利用行星式球磨機使其充分混勻，球磨速度為400r/min，球磨時間為8h；
(2)將球磨好的粉料置于溫度為85℃的烘箱中加熱蒸干，邊蒸發(fā)邊攪拌，直至無水乙醇全部揮發(fā)完畢，再將烘干后的混合料磨碎，并用200目篩網過篩；
(3)將過篩后的混合料通過噴霧干燥工藝進行造粒，然后將造粒的粉體放入模具進行成型，最后通過冷等靜壓工藝獲得陶瓷模具素坯；
(4)采用兩步保溫法進行氣壓燒結，具體包括以下步驟：
41)將陶瓷模具素坯放入石墨坩堝，在氮氣氣氛下進行氣壓燒結；
42)首先以15℃/min的升溫速率升溫至900℃；氮氣氣氛為1.5atm的氮氣；
43)繼續(xù)以5℃/min的升溫速率升溫至1200℃，并在此溫度下保溫2h；氮氣氣氛為3atm的氮氣；
44)然后以3℃/min的升溫速率升溫至1450℃，并在此溫度下保溫2h；氮氣氣氛為5atm的氮氣；
45)隨爐冷卻至100℃以下，取出，即得所述的碳化硼基復合陶瓷模具。
實施例3
本發(fā)明實施例中，一種碳化硼基復合陶瓷模具材料，按照質量百分比計，由以下組分制成：碳化硼53.0％、氮化鈦23.1％、氧化鋁12.5％、氧化鑭1.5％、氧化鈧3.6％、氧化硼2.1％、氧化鈦1.9％、氧化硅2.3％；其中碳化硼由粒徑為5～15nm的納米碳化硼粉體和粒徑為15～25μm的微米碳化硼粉體按照質量比1：0.14的比例混合而成；氮化鈦和氧化鋁的粒徑均為15～25nm；氧化鑭和氧化鈧的粒徑均為50～100nm；氧化硼、氧化鈦和氧化硅的粒徑均為5～50nm。
所述的碳化硼基復合陶瓷模具材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取各原料粉末，將稱量好的粉末置于球磨罐中進行球磨混料，按照料：氧化鋯球：無水乙醇的質量比為1：5：1.2的比例加入氧化鋯球和無水乙醇，利用行星式球磨機使其充分混勻，球磨速度為450r/min，球磨時間為10h；
(2)將球磨好的粉料置于溫度為70℃的烘箱中加熱蒸干，邊蒸發(fā)邊攪拌，直至無水乙醇全部揮發(fā)完畢，再將烘干后的混合料磨碎，并用200目篩網過篩；
(3)將過篩后的混合料通過噴霧干燥工藝進行造粒，然后將造粒的粉體放入模具進行成型，最后通過冷等靜壓工藝獲得陶瓷模具素坯；
(4)采用兩步保溫法進行氣壓燒結，具體包括以下步驟：
41)將陶瓷模具素坯放入石墨坩堝，在氮氣氣氛下進行氣壓燒結；
42)首先以12℃/min的升溫速率升溫至950℃；氮氣氣氛為1.5atm的氮氣；
43)繼續(xù)以3℃/min的升溫速率升溫至1220℃，并在此溫度下保溫2h；氮氣氣氛為3atm的氮氣；
44)然后以5℃/min的升溫速率升溫至1393℃，并在此溫度下保溫3h；氮氣氣氛為5atm的氮氣；
45)隨爐冷卻至100℃以下，取出，即得所述的碳化硼基復合陶瓷模具。
實施例4
本發(fā)明實施例中，一種碳化硼基復合陶瓷模具材料，按照質量百分比計，由以下組分制成：碳化硼55.0％、氮化鈦22.5％、氧化鋁12.0％、氧化鑭1.3％、氧化鈧3.4％、氧化硼1.9％、氧化鈦1.7％、氧化硅2.2％；其中碳化硼由粒徑為5～15nm的納米碳化硼粉體和粒徑為15～25μm的微米碳化硼粉體按照質量比1：0.16的比例混合而成；氮化鈦和氧化鋁的粒徑均為15～25nm；氧化鑭和氧化鈧的粒徑均為50～100nm；氧化硼、氧化鈦和氧化硅的粒徑均為5～50nm。
所述的碳化硼基復合陶瓷模具材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取各原料粉末，將稱量好的粉末置于球磨罐中進行球磨混料，按照料：氧化鋯球：無水乙醇的質量比為1：5：1.2的比例加入氧化鋯球和無水乙醇，利用行星式球磨機使其充分混勻，球磨速度為450r/min，球磨時間為10h；
(2)將球磨好的粉料置于溫度為80℃的烘箱中加熱蒸干，邊蒸發(fā)邊攪拌，直至無水乙醇全部揮發(fā)完畢，再將烘干后的混合料磨碎，并用180目篩網過篩；
(3)將過篩后的混合料通過噴霧干燥工藝進行造粒，然后將造粒的粉體放入模具進行成型，最后通過冷等靜壓工藝獲得陶瓷模具素坯；
(4)采用兩步保溫法進行氣壓燒結，具體包括以下步驟：
41)將陶瓷模具素坯放入石墨坩堝，在氮氣氣氛下進行氣壓燒結；
42)首先以12℃/min的升溫速率升溫至950℃；氮氣氣氛為1.5atm的氮氣；
43)繼續(xù)以3℃/min的升溫速率升溫至1220℃，并在此溫度下保溫2h；氮氣氣氛為3atm的氮氣；
44)然后以5℃/min的升溫速率升溫至1395℃，并在此溫度下保溫3h；氮氣氣氛為5atm的氮氣；
45)隨爐冷卻至100℃以下，取出，即得所述的碳化硼基復合陶瓷模具。
實施例5
本發(fā)明實施例中，一種碳化硼基復合陶瓷模具材料，按照質量百分比計，由以下組分制成：碳化硼54.0％、氮化鈦22.8％、氧化鋁12.2％、氧化鑭1.4％、氧化鈧3.5％、氧化硼2.0％、氧化鈦1.8％、氧化硅2.3％；其中碳化硼由粒徑為5～15nm的納米碳化硼粉體和粒徑為15～25μm的微米碳化硼粉體按照質量比1：0.15的比例混合而成；氮化鈦和氧化鋁的粒徑均為15～25nm；氧化鑭和氧化鈧的粒徑均為50～100nm；氧化硼、氧化鈦和氧化硅的粒徑均為5～50nm。
所述的碳化硼基復合陶瓷模具材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取各原料粉末，將稱量好的粉末置于球磨罐中進行球磨混料，按照料：氧化鋯球：無水乙醇的質量比為1：5：1.2的比例加入氧化鋯球和無水乙醇，利用行星式球磨機使其充分混勻，球磨速度為450r/min，球磨時間為10h；
(2)將球磨好的粉料置于溫度為75℃的烘箱中加熱蒸干，邊蒸發(fā)邊攪拌，直至無水乙醇全部揮發(fā)完畢，再將烘干后的混合料磨碎，并用200目篩網過篩；
(3)將過篩后的混合料通過噴霧干燥工藝進行造粒，然后將造粒的粉體放入模具進行成型，最后通過冷等靜壓工藝獲得陶瓷模具素坯；
(4)采用兩步保溫法進行氣壓燒結，具體包括以下步驟：
41)將陶瓷模具素坯放入石墨坩堝，在氮氣氣氛下進行氣壓燒結；
42)首先以12℃/min的升溫速率升溫至950℃；氮氣氣氛為1.5atm的氮氣；
43)繼續(xù)以3℃/min的升溫速率升溫至1220℃，并在此溫度下保溫2h；氮氣氣氛為3atm的氮氣；
44)然后以5℃/min的升溫速率升溫至1394℃，并在此溫度下保溫3h；氮氣氣氛為5atm的氮氣；
45)隨爐冷卻至100℃以下，取出，即得所述的碳化硼基復合陶瓷模具。
本發(fā)明通過預先將納米級和微米級兩種不同級別的碳化硼粉體混合作為基體，以氮化鈦和氧化鋁為增強相，以氧化鑭和氧化鈧為穩(wěn)定劑，同時加入氧化硼、氧化鈦和氧化硅作為燒結助劑，經濕法球磨混合、烘干、造粒、壓模、氣壓燒結得到一種碳化硼基復合陶瓷模具材料，該材料不僅具有高硬度、良好的耐磨損性、耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及導熱性，還具有優(yōu)異的斷裂韌性、硬度、抗彎強度以及優(yōu)良的減摩性能，且其抗老化性和缺陷抵抗能力強，能夠滿足實際工程使用的需要，可廣泛應用于模具材料中。
對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發(fā)明內。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。