專利名稱:高耐磨性高韌性氮化硅基陶瓷刀具材料的制作方法
本發(fā)明涉及一種改進的氮化硅(Si3N4)基陶瓷材料，特別是一種適宜于用作刀具的由氮化硅基體、耐磨的分散相和耐高溫的晶界相組成的陶瓷材料。
近年來氮化硅作主晶相基體，碳化鈦(TiC)作耐磨分散相做成的刀具，具有很好的切削效果，這是因為氮化硅和碳化鈦都有很好的耐磨性。但是以往這類刀具材料的晶界相，常常是高溫性能較差的玻璃相，在切削溫度下由于晶界玻璃相的軟化將會影響到刀具的切削性能。美國專利U.S.128070(EP 0035777)，采用氮化硅作基體，碳化鈦作磨耐分散相，氧化釔(Y2O3)等作為致密化助劑。實際上，由致密化助劑和材料中的雜質(zhì)如SiO2等所形成的晶界常為玻璃相，因而影響刀具的耐磨性和切削壽命。該專利提到加Al2O3作為附加的添加劑問題，但並未作實驗。
由于在切削過程中，刀尖部分溫度很高，可達1000℃以上。因此晶界玻璃相不良的耐熱性將嚴(yán)重影響氮化硅主晶相固有耐磨性能的發(fā)揮，從而影響刀具的切削性能和切削壽命。
本發(fā)明的任務(wù)就是維持Si3N4作為主晶相基體和耐磨的TiC作為分散相，通過改變致密化助劑和適當(dāng)?shù)墓に嚕瑏砀纳芐i3N4晶界相的結(jié)構(gòu)，從而提高其耐熱性和高溫強度，增加刀尖部分在切削高溫下的耐磨性。
本發(fā)明的任務(wù)以下述兩方面來完成在配料中除少量的Y2O3或其他稀土氧化物，還加入Al2O3或MgAl2O4，MgO，ZrO2等氧化物外，為了阻止晶粒過分發(fā)展和促進致密化的作用，還可加入少量AlN;為了盡可能減少晶界的玻璃相，提高晶界相的耐熱性，可對材料進行退火處理，使晶界形成一部分熔點較高的結(jié)晶相。如釔鋁石榴石、氧氮化鋁硅固溶體，由于致密化助劑的加入量是很小的，所以主晶相仍為β-Si3N4。通過上述措施，最后可獲得高致密性耐磨性高韌性的陶瓷刀具材料。
對本發(fā)明的詳細(xì)描述如下根據(jù)本發(fā)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，致密化助劑Y2O3或其他稀土氧化物1～10份，Al2O3或其他氧化化物如MgAl2O4，ZrO2，MgO等，0.5～5份，AlN0.5～5份。
對原材料的技術(shù)要求可為Si3N4粉末中α相大于90%，純度＞95%，平均粒徑在0.1～2.0μ范圍內(nèi);TiC的純度＞98%，平均粒徑在0.1～3μ范圍內(nèi);致密化助劑的純度大于98%，平均粒徑為0.1～3μ的范圍。
根據(jù)本發(fā)明，這種耐磨的氮化硅基陶瓷刀具材料，可采用無壓燒結(jié)，熱壓或高溫等靜壓法來達到致密化。無壓燒結(jié)的溫度范圍可為1600～1900℃，熱壓的溫度范圍可為1600～1850℃壓力可為150～400kg/cm2，恒溫時間可為15～90分鐘。如采用熱壓法，工藝過程如下將α-Si3N4、TiC、致密化助劑等粉末按合適的比例稱量，進行混磨、烘干、造粒，然后將混合粉末裝入石墨模具中，置于熱壓爐內(nèi)進行升溫加壓工藝，得到的β-Si3N4為基的材料，再進行退火處理，退火溫度可在1200～1500℃范圍內(nèi)，最后切割成刀片使用。
用本發(fā)明所述的工藝制得的高耐磨性氮化硅基陶瓷材料，其主晶相應(yīng)為β-Si3N4，分散相為TiC，其晶界相應(yīng)為結(jié)晶相與極小量玻璃相。
根據(jù)本發(fā)明所制得的高耐磨性氮化硅基陶瓷材料，可用來加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料，不僅可以作刀具，還可用來制作精密軸承、軸套、量塊、導(dǎo)軌、噴嘴和拔絲模等多種機械零部件。
實施例取平均粒徑1.7微米，純度95%以上的α-Si3N4粉100克，加入30克TiC，4克Y2O3，3克Al2O3，2克AlN，在球磨罐中混磨48小時，然后烘干造粒，放入石墨模中，采用壓力為200公斤/平方厘米，溫度為1700℃～1850℃，時間為30分鐘進行熱壓，便得到密致的燒結(jié)體。再將試件在1300℃～1500℃下進行退火處理。所得到的材料，其抗彎強度為70～80公斤/毫米平方，硬度HRA93～93.5，抗沖擊韌性ak＝6～7公斤-厘米/平方厘米，相對密度99.5～100%。
然后和未加AlN或加AlN后而未退火的樣品進行切削試驗比較。被加工工件為CrWMn淬硬鋼(HRC58～62)，切削速度V＝57.93米/分，進給量f＝0.1毫米/轉(zhuǎn)，切削深度a＝0.25毫米，當(dāng)切削總路程定為L＝1373米，分別測定三種刀具的后刀面磨損VB，其結(jié)果列于下表。
從表中可以看到，對于加AlN添加劑同時又進行退火的，其后刀面磨損值可減小30%左右。
當(dāng)后刀面磨損值固定為VB＝0.3毫米時，各種刀具的切削總路程L(或切削時間T)可作為刀具切削壽命的比較。當(dāng)切削CrWMn淬硬鋼時(HRC 58～62)，本發(fā)明的刀具的切削壽命為過去的復(fù)合氮化硅刀具的2倍，為復(fù)合氧化鋁陶瓷刀具(Al2O3+TiC)的7倍，為硬質(zhì)合金刀具(YT14)的113倍。
當(dāng)切削硬度為HS71-73的冷硬鑄鐵時，工件尺寸為φ256×450毫米，機床CW6163，切削用量f＝0.19毫米/轉(zhuǎn)，a＝0.25毫米，各種刀具采用自身的最佳切削速度。試驗結(jié)果表明本發(fā)明的刀具的切削壽命為以往的復(fù)合氮化硅刀具的2.1倍，為復(fù)合氧化鋁陶瓷刀具(Al2O3+TiC)的6倍，為瑞典超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具H1的24倍。
權(quán)利要求
1.一種以碳化鈦作為耐磨分散相，以稀土氧化物作為致密化助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷材料，其特征在于致密化助劑有氧化鎂、或氧化鋯、或鎂鋁光晶石。
2.按權(quán)利要求
1所述的氮化硅基陶瓷材料，其特征在于致密化助劑還有氮化鋁，氮化鋁的含量為0.5～5%。
3.按權(quán)利要求
1所述的氮化硅基陶瓷材料，其特征在于氧化鎂、氧化鋯、鎂鋁光晶石的含量為0.5～5%。
4.按權(quán)利要求
1，2，3所述的氮化硅基陶瓷材料，其特征在于燒結(jié)后進行退火處理，退火溫度為1200～1500℃。
專利摘要
一種改進的以碳化鈦為耐磨分散相，氧化釔或其它稀土氧化物為致密化助劑的高耐磨性高韌性氮化硅基復(fù)合陶瓷具有優(yōu)良的高溫性能(強度、紅硬性、耐磨性等)和化學(xué)穩(wěn)定性。用這種陶瓷制成的刀具在加工淬硬鋼(CrNMn、H
文檔編號C04B35/58GK85100177SQ85100177
公開日1986年8月6日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者苗赫濯, 馬德金, 羅振璧, 衷待群, 江作昭, 劉兆男 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan