多相高強度、高耐磨氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用多相高強度、高耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料及刀具。主要用來加工鑄鐵及合金材料。該材料微觀結構由β-Si3N4針狀長晶，β-Si3N4細晶，α'-Si3N4柱狀晶及等軸晶和晶間相組成，晶間相由Si，N，O，Y，兩種及以上離子半徑成階梯分布的鑭系稀土金屬元素以及次致密化助劑金屬元素組成，含量為1-5vol%，所有晶體長徑比為1:1-10:1；這種材料室溫下抗彎強度為900-1000MPa，斷裂韌性為8-10MPa/m2，硬度為92-94.5HRA，用這種材料制成的刀具，車削球墨鑄鐵QT450-10，速度600m/min，切削長度1000米時，后刀面磨損小于0.4毫米，高于目前市場上商業(yè)化刀具的車削水平。
【專利說明】多相高強度、高耐磨氮化硅陶瓷刀具材料及刀具
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氮化硅陶瓷刀具材料及刀具領域，一種用于加工鑄鐵及合金的多相高強高耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料及刀具。
【背景技術】
[0002]近年來，氮化硅陶瓷刀具由于其較高的硬度，強度，斷裂韌性，較小的膨脹系數，耐高溫以及自然界取之不盡的硅、氮等元素，在現代化加工領域得到廣泛地應用。但是，隨著現代化加工技術要求的不斷提高，對相應材料性能的要求也水漲船高，對材料由于其性能的差別分工也越加細化，根據加工產品的性能不同使用之相匹配的的陶瓷刀具材料，既可以提聞加工效率，又可以節(jié)省材料的損耗。
[0003]而氮化硅陶瓷材料的性能取決于其微觀結構，科學家通過添加助劑和改變燒結方式改變其微觀結構，美國專利US7968484中采用氣壓的方法通過對燒結助劑的調整以及添加貝塔氮化硅晶種得到由β氮化硅晶體和晶界相組成的陶瓷材料，室溫下抗彎強度為lOOOMPa，斷裂韌性為9MPa/m2，然而這種方法生產的陶瓷材料的硬度不高，在刀具的應用上無法滿足一般要求，在高速切削過程中磨損很快。
[0004]也有科學家通過添加IV B V BVIB族金屬元素的碳化物、氮化物以及碳氮化物晶須增韌陶瓷材料，并提高耐磨性，取得了很好的效果，但是晶須增韌相對.成本較高，一般用于鋼材的加工，并且晶須容易出現混合不勻的情況。
[0005]但是，同時還有研究表明，晶須增強陶瓷并不是其本身強度增強，而是因為晶須的尺寸和形狀起到的作用。
[0006]中國專利CN101538161中公開了一種氮化硅陶瓷材料在陶瓷軸承球制備中的應用，采用氣氛燒結的方法，使用多種稀土氧化物燒結助劑，生產出一種綜合性能較高的氮化硅陶瓷材料，但是氣氛燒結的方法對材料的致密性有影響，生產出來的產品耐磨性不足，并且在燒結助劑的選擇上仍然可以細化。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種用于多相高強、高耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料，使用此材料加工的刀具用來加工鑄鐵和合金。
[0008]為解決上述技術問題，本發(fā)明通過在原位生長a-Sialon增強陶瓷材料，減少晶界相，提供一種高強耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料，其微觀結構為包括晶軸為1-3微米體積百分比為65vol%-75vol%的β -Si3N4針狀長晶，晶體長徑比為2:1-10:1 ;晶軸為0.5-1微米 8vol%-15vol% 的 β -Si3N4 細晶；晶軸為 1-3 微米 10vol%_18vol% 的 a -sialon 柱狀晶及等軸晶，長徑比為1:1-2:1 ；lvol%-5vol%的晶間相，晶間相包括Si，N，0，Y，兩種或以上鑭系稀土金屬元素以及次致密化助劑金屬元素；β -Si3N4長晶各向異性。
[0009]具有上述微觀結構的陶瓷毛坯材料所需測試樣品，鏡面拋光，測量強度及硬度，得到的陶瓷材料室溫下抗彎強度為900-1000MPa，斷裂韌性為8_10MPa/m2，硬度為92-94.5HRA，在保證現有技術的性能降低不多的情況下，提高了材料的硬度及耐磨性。
[0010]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，a-sialon相為Rx (Si, Al) 12 (0，Ν)16其中R包括Mg、Y以及兩種及以上La系金屬元素。
[0011]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案,兩種及兩種以上La系金屬兀素包括La和Yb。
[0012]作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，次致密化助劑金屬元素為Mg和Al的組合。
[0013]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，用此陶瓷材料制成的刀具，用于生產加工鑄鐵和合金。
[0014]本發(fā)明所要解決的另外一種技術問題是提供一種用于加工鑄鐵和合金的氮化硅陶瓷刀具。
[0015]為解決上述技術問題，將上述氮化硅陶瓷材料燒結成陶瓷刀片毛坯后，平磨兩面、線切割、研磨、倒棱、刃磨做成氮化硅陶瓷刀具，然后置于機床上，進行車削試驗，加工工件為QT450-10，進給量f=0.3mm/r切削速度u =600m/min,切削深度ap=2.0mm,切削長度為1000m時，后刀面磨損小于0.4mm，高于目前市場上商業(yè)化刀具的切削水平。
[0016]如上所述刀具也可以采用PVD或CVD的方法在刀具表面鍍膜。
【具體實施方式】
[0017]現有技術中，采用氧化鑭作為稀土金屬氧化物燒結助劑、MgO為次致密金屬氧化物燒結助劑以及少量的β -Si3N4晶種，采用氣壓燒結的方法在1700°C -1800°C下燒結，得到很高強度和韌性好的陶瓷材料。
[0018]本發(fā)明在現有技術基礎上，增加了 Al2O3和AlN作為次致密化金屬氧化物燒結助劑，在稀土氧化物的選擇上增加了與金屬`鑭離子半徑呈階梯分布的兩種或兩種以上稀土金
屬氧化物。
[0019]稀土金屬離子半徑越大，離子就越難進入α氮化硅晶格間隙，但是離子半徑大的稀土金屬有助于長棒狀柱晶的形成，增加材料的韌性，而多種離子半徑差距較大的稀土金屬元素的加入起到互相抑制及互相促進的作用，并且原子量大的稀土金屬元素的加入，對氧含量的減少也有幫助。
[0020]同時，發(fā)明人考慮到共融溫度的影響，較低的共融溫度促進晶體的致密生長，避免晶體的異常長大，增加材料的耐磨性。Y3+的離子半徑為0.090nm，La3+的離子半徑為0.103nm, Yb3+的離子半徑為0.086nm。Y2O3-Al2O3-SiO2的共融溫度在1350 V，La203_Mg0_A1203_SiO2的共融溫度為1400 C，都處于個較低的溫度，而Yb2O3的尚子+徑較小易于與α氮化硅結合形成a-sialon。所以在本發(fā)明中，另外兩種稀土金屬氧化物選擇Y2O3和Yb203。結果發(fā)現，對陶瓷材料的整體性能的提高有很大幫助。
[0021]本發(fā)明還發(fā)現，通過增加α氮化硅粉體的重量百分比，減少燒結助劑的使用量，可以提高陶瓷材料的致密度，繼而提高材料的整體性能。實驗采用重量百分比為94%-96%的a -Si3N4粉末，1%的β -Si3N4晶種，長徑比2:1-5:1, 2wt%_3.5wt%的三種或以上稀土金屬氧化物，lwt%-2wt%的次致密化助劑金屬氧化物。
[0022]將上述原料混合，球磨，烘干后放入石墨磨具中進行氣壓燒結。
[0023]上面提到，在1400°C時，燒結助劑都可以共融，本方法采用燒結助劑較少，
【發(fā)明者】選擇在1400°C -1450°C下保溫，使助劑更加均勻分布，但同時，氣壓燒結的過程較快，也不應保溫過長時間，以免等軸晶體的大量生成，降低材料的韌性。同時，為了在17500C -1800°C下給晶體充分的生長時間，需要保溫一段時間，但為了防止晶體的異常長大，保證材料的致密性，保溫時間不宜過長。
[0024]在發(fā)明中使用了三種或以上稀土金屬氧化物作為燒結助劑，以及三種次致密化助劑，同樣為了增加材料的致密性，進而加強其耐磨性，燒結后的材料在1300°c下做退火處理。
[0025]步驟如下，將裝有氮化硅粉末的模具在氣壓燒結爐中10_20MPa的壓力下，在N2中升溫至1750-1800°C保溫20-40min后，在1300°C退火I小時。
[0026]在發(fā)明中我們發(fā)現，燒結過程中在1400°C -1450°C下保溫3_5分鐘促進共融，可以提聞材料的綜合性能。[0027]將陶瓷毛坯降至室溫后加工成所需測試樣品，鏡面拋光，測量強度及硬度，選擇性能較好的樣品與根據現有技術生產的產品拋光腐蝕，在掃描電鏡下(SEM)觀察其微觀結構，同時使用X射線衍射儀確定材料的物相組成。
[0028]將降至室溫后的陶瓷刀片毛坯平磨兩面、線切割、研磨、倒棱、刃磨做成氮化硅陶瓷刀片，然后置于機床上，加工球墨鑄鐵QT450-10，設置為前角Υ(ι=-5°，后角αρδ。，刃傾角Xs=5°，主偏角b=45°，負倒棱寬度bf0.2mm負倒棱Y ^20 °刀尖圓弧半徑r=0.3mm,進給量f=0.3mm/r切削速度u =600m/min,切削深度ap=2.0mm,切削長度為1000m時，后刀面磨損較小。實施例1
[0029]將重量百分比(以下簡稱為wt%)為89%的a -Si3N4粉末，1%以β -Si3N4晶種及8%的不同稀土氧化物燒結助劑，及不同重量百分比的次致密化助劑，(詳見表1)，將混合好的粉體用酒精混合，球磨48-80小時，烘干，過100目篩，然后放入石墨磨具中，在氣壓燒結爐中10-20MPa的壓力下，在N2中升溫至1750-1800°C保溫20_40min后，在1300°C退火I小時，降至室溫后加工成所需測試樣品，鏡面拋光，測量強度及硬度，測得樣品結果(詳見表2)。
[0030]表1
[0031]
【權利要求】
1.一種多相高強度、高耐磨性氮化硅陶瓷刀具材料，其特征是: 包括晶軸為1-3微米體積百分比為65V01%-75V01%的β -Si3N4針狀長晶，晶體長徑比為 2:1-10:1 ； 晶軸為 0.5-1 微米 8vol%-15vol% 的 β -Si3N4 細晶； 晶軸為1-3微米10vol%-18vol%的a -sialon柱狀晶及等軸晶，長徑比1:1-2:1 ;lvol%-5vol%的晶間相，晶間相包括Si, N, O, Y,兩種及以上鑭系稀土金屬元素以及次致密化助劑金屬元素；β -Si3N4長晶各向異性。
2.根據權利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料室溫下抗彎強度為900-1000MPa，斷裂韌性為 8_10MPa/m2，硬度為 92-94.5HRA。
3.根據權利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，所述a-sialon分子式SRx(Si，Al)12 (O, N) 160〈X〈2，其中R包括Mg、Y以及兩種及以上La系金屬元素。
4.根據權利要求3所述的陶瓷材料，其特征在于，所述兩種及以上La系金屬元素與稀土金屬元素Y離子半徑分別稱階梯型分布。
5.根據權利要求1或4所述的陶瓷材料，其特征在于，所述兩種及以上La系金屬元素包括La和Yb。
6.根據權利要求1所述的 陶瓷材料，其特征在于，所述次致密化助劑金屬元素為Mg和Al的組合。
7.根據權利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料用于生產加工鑄鐵及合金的刀具。
8.一種用于加工鑄鐵及合金的氮化硅陶瓷刀具，其特征在于:所述氮化硅刀具由權利要求I中所述陶瓷材料制成陶瓷刀具。
9.根據權利要求7所述的陶瓷刀具，其特征在于:用所述陶瓷刀具加工后進行切削試驗，加工QT450-10，進給量f=0.3mm/r切削速度u =600m/min,切削深度ap=2.0mm,切削長度為1000m時,后刀面磨損小于0.4mm。
【文檔編號】B23B27/00GK103880429SQ201410064043
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權日:2014年2月25日
【發(fā)明者】王也 申請人:麗水桉陽生物科技有限公司