本發(fā)明涉及一種陶瓷模具材料，具體是一種碳化鎢基多元納米復(fù)合陶瓷模具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
陶瓷刀具具有高的硬度和耐磨性，在高速切削和干切削時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，是一類極具發(fā)展前途的刀具材料。但是，目前應(yīng)用的陶瓷刀具材料大多局限于微米復(fù)合陶瓷，材料的力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度、韌性仍有待于進(jìn)一步提高。根據(jù)Hall-petch關(guān)系：晶粒尺寸越小，陶瓷材料的強(qiáng)度越高。因此，納米改性、納米微米復(fù)合陶瓷刀具材料的研究與開發(fā)將是今后刀具材料發(fā)展的主要方向之一。
目前已經(jīng)研究的納米復(fù)合陶瓷刀具材料主要包括Si3N4/TiNn，Si3N4/TiCn，Si3N4-Ai2O3n-TiC-Y2O3，Al2O3/TiC/SiCn，Al2O3/TiCn，Al2O3/Al2O3n/SiCn，Al2O3/Ti (C0.7N0.3)n/SiCn，Al2O3/SiC/SiCn，Al2O3/TiC/TiNn，等，均具有比微米復(fù)合陶瓷刀具材料更好的力學(xué)性能和切削性能。但到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)以碳化鎢陶瓷為基體的納米復(fù)合陶瓷刀具材料的報(bào)道。
另一方面，陶瓷材料的熱穩(wěn)定性和耐磨性極佳，是制造成形模具的理想材料，很具有發(fā)展前景，但其韌性很差，因此還沒有在模具工業(yè)方面得到廣泛應(yīng)用。從國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，陶瓷模具的研究尚處于研究開發(fā)階段，應(yīng)用于模具工業(yè)的陶瓷材料的種類很少、能應(yīng)用的模具領(lǐng)域很窄，這方面的報(bào)道也極少。目前，陶瓷材料在各類模具中的應(yīng)用研究大多局限于微米復(fù)合陶瓷材料，如 ZrO2增韌A12O3基復(fù)合陶瓷ZTA拉絲模、TZP/TiC/A12O3， A12O3/TiC復(fù)合陶瓷拉絲模、(Ce-TZP) -A12O3熱擠壓模具、3Y-TZP-A12O3陶瓷拉拔模、PSZ陶瓷熱擠壓模、A12O3/Cr3C2/ (W，Ti) C等。納米復(fù)合陶瓷在模具材料應(yīng)用方面的研究雖然較少，如復(fù)合UP陶瓷模具、A12O3/Ti (C，N)等，但也取得了良好的效果。
從已有的研究可以看出，納米復(fù)合尤其是納微米復(fù)合陶瓷的性能、價(jià)格優(yōu)勢(shì)沒能在模具領(lǐng)域得到充分發(fā)揮。就目前的總體情況來看，陶瓷模具材料的種類、性能和應(yīng)用范圍均有待于進(jìn)一步擴(kuò)大和提高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種碳化鎢基多元納米復(fù)合陶瓷模具材料及其制備方法，該模具抗老化性和缺陷抵能力強(qiáng)，具有良好的綜合力學(xué)性能和優(yōu)良的減摩耐磨性能。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
一種碳化鎢基多元納米復(fù)合陶瓷模具材料，按照重量份的原料為：碳化鎢60-80份、氧化鋯10-20份、氮化鈦15-25份、氧化錳2-6份、氧化釹4-8份、鉻2-4份、錳1-3份；上述所有原料均采用納米級(jí)粉末，其中碳化鎢的徑粒大小為10-100納米，氧化鋯和氮化鈦的徑粒大小為1-10納米，其他的徑粒大小為1-100納米。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述碳化鎢基多元納米復(fù)合陶瓷模具材料及其制備方法，按照重量份的原料為：碳化鎢65-75份、氧化鋯14-16份、氮化鈦18-22份、氧化錳3-5份、氧化釹5-7份、鉻2.5-3.5份、錳1.5-2.5份。
所述的碳化鎢基多元納米復(fù)合陶瓷模具材料的制備方法，以碳化鎢為基體，添加氧化鋯和氮化鈦?zhàn)鳛樵鰪?qiáng)相，以氧化錳和氧化釹為穩(wěn)定劑，以鉻和錳作為燒結(jié)助劑，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成；具體制備步驟如下：
步驟一：按照重量份稱取上述所有原料；
步驟二：將碳化鎢、氧化鋯和氮化鈦加到無水乙醇與聚乙二醇的混合溶液中，然后充分?jǐn)嚢瑁瑫r(shí)超聲分散20-30分鐘，得到第一懸浮液；
步驟三：將氧化錳、氧化釹、鉻和錳加到無水乙醇與聚乙二醇的混合溶液中，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散20-30分鐘，得到第二懸浮液；
步驟四：將第一懸浮液和第二懸浮混合，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散10-20分鐘，得到總混合物懸浮液；
步驟五：將總混合物懸浮液倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，直徑為1-2mm的鐵球?yàn)檠心デ?，?450MHz的微波環(huán)境下，球磨12-24小時(shí)，過濾得到研磨液；所有原料的總重量與研磨球的重量比為1:10-20；
步驟六：將研磨液在110-120℃溫度下真空干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過篩，得到混合粉料，密封備用；
步驟七：采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟六所得的混合粉料壓模燒結(jié)成型即得。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：步驟二和步驟三中所述無水乙醇與聚乙二醇的體積比為1:0.5-2。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：步驟五和步驟六中所述惰性氣體是氮?dú)饣蛳∮袣怏w。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：步驟七中熱壓法燒結(jié)工藝參數(shù)為：升溫時(shí)間20-30min，保溫溫度1400-1600℃，熱壓壓力30-40MPa，保溫時(shí)間40-60min，然后降溫至室溫。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明多元納米復(fù)合陶瓷模具，通過在納米碳化鎢基體中添加納米氧化鋯和納米氮化鈦?zhàn)鳛樵鰪?qiáng)相實(shí)現(xiàn)不同粒徑的納米復(fù)合，添加納米氧化鋯和納米氮化鈦的加入，可以與納米碳化鎢形成了典型的晶內(nèi)/晶間混合型結(jié)構(gòu)，由此導(dǎo)致沿晶/穿晶混合型斷裂模式，這些強(qiáng)韌化機(jī)制與碳化鎢相變?cè)鲰g等多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理協(xié)同作用，共同改善材料的力學(xué)性能和使用性能；而且研究表明：氧化錳和氧化釹作為穩(wěn)定劑的復(fù)合添加，不但使材料具有相當(dāng)高的抗老化性和缺陷抵抗能力，而且晶粒相變臨界尺寸比較大，對(duì)原料細(xì)度要求較低，從而使材料具有較好的綜合性能。最后，利用金屬質(zhì)小磨球，在金屬受到微波輻照后所發(fā)生的對(duì)微波的反射和折射耗散到整個(gè)反應(yīng)體系中，起到了微波加熱的作用，可加速反應(yīng)進(jìn)行。與已有陶瓷模具材料相比，該多元納米復(fù)合陶瓷模具材料具有更好的綜合力學(xué)性能和優(yōu)良的減摩耐磨性能，可用于制作擠壓模、拉拔模以及切削刀具等陶瓷工模具。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
實(shí)施例1
一種碳化鎢基多元納米復(fù)合陶瓷模具材料，按照重量份的原料為：碳化鎢60份、氧化鋯10份、氮化鈦15份、氧化錳2份、氧化釹4份、鉻2份、錳1份；上述所有原料均采用納米級(jí)粉末，其中碳化鎢的徑粒大小為10-100納米，氧化鋯和氮化鈦的徑粒大小為1-10納米，其他的徑粒大小為1-100納米；其制備方法是以碳化鎢為基體，添加氧化鋯和氮化鈦?zhàn)鳛樵鰪?qiáng)相，以氧化錳和氧化釹為穩(wěn)定劑，以鉻和錳作為燒結(jié)助劑，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成；具體制備步驟如下：
步驟一：按照重量份稱取上述所有原料；
步驟二：將碳化鎢、氧化鋯和氮化鈦加到無水乙醇與聚乙二醇的混合溶液中，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散20分鐘，得到第一懸浮液；所述無水乙醇與聚乙二醇的體積比為1:0.5；
步驟三：將氧化錳、氧化釹、鉻和錳加到無水乙醇與聚乙二醇的混合溶液中，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散20分鐘，得到第二懸浮液；所述無水乙醇與聚乙二醇的體積比為1:0.5；
步驟四：將第一懸浮液和第二懸浮混合，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散10分鐘，得到總混合物懸浮液；
步驟五：將總混合物懸浮液倒入球磨罐中，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，直徑為1mm的鐵球?yàn)檠心デ?，?450MHz的微波環(huán)境下，球磨12小時(shí)，過濾得到研磨液；所有原料的總重量與研磨球的重量比為1:10；
步驟六：將研磨液在110℃溫度下真空干燥，完全干燥后在氮?dú)鈿饬髦羞^篩，得到混合粉料，密封備用；
步驟七：采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟六所得的混合粉料壓模燒結(jié)成型即得；熱壓法燒結(jié)的工藝參數(shù)：升溫時(shí)間20min，保溫溫度1400℃，熱壓壓力30MPa，保溫時(shí)間40min，然后降溫至室溫。
實(shí)施例2
一種碳化鎢基多元納米復(fù)合陶瓷模具材料，按照重量份的原料為：碳化鎢70份、氧化鋯15份、氮化鈦20份、氧化錳4份、氧化釹6份、鉻3份、錳2份；上述所有原料均采用納米級(jí)粉末，其中碳化鎢的徑粒大小為10-100納米，氧化鋯和氮化鈦的徑粒大小為1-10納米，其他的徑粒大小為1-100納米；其制備方法是以碳化鎢為基體，添加氧化鋯和氮化鈦?zhàn)鳛樵鰪?qiáng)相，以氧化錳和氧化釹為穩(wěn)定劑，以鉻和錳作為燒結(jié)助劑，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成；具體制備步驟如下：
步驟一：按照重量份稱取上述所有原料；
步驟二：將碳化鎢、氧化鋯和氮化鈦加到無水乙醇與聚乙二醇的混合溶液中，然后充分?jǐn)嚢瑁瑫r(shí)超聲分散25分鐘，得到第一懸浮液；所述無水乙醇與聚乙二醇的體積比為1:1；
步驟三：將氧化錳、氧化釹、鉻和錳加到無水乙醇與聚乙二醇的混合溶液中，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散25分鐘，得到第二懸浮液；所述無水乙醇與聚乙二醇的體積比為1:1；
步驟四：將第一懸浮液和第二懸浮混合，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散15分鐘，得到總混合物懸浮液；
步驟五：將總混合物懸浮液倒入球磨罐中，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，直徑為1.5mm的鐵球?yàn)檠心デ?，?450MHz的微波環(huán)境下，球磨18小時(shí)，過濾得到研磨液；所有原料的總重量與研磨球的重量比為1:15；
步驟六：將研磨液在115℃溫度下真空干燥，完全干燥后在氮?dú)鈿饬髦羞^篩，得到混合粉料，密封備用；
步驟七：采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟六所得的混合粉料壓模燒結(jié)成型即得；熱壓法燒結(jié)的工藝參數(shù)：升溫時(shí)間25min，保溫溫度1500℃，熱壓壓力35MPa，保溫時(shí)間50min，然后降溫至室溫。
實(shí)施例3
一種碳化鎢基多元納米復(fù)合陶瓷模具材料，按照重量份的原料為：碳化鎢80份、氧化鋯20份、氮化鈦25份、氧化錳6份、氧化釹8份、鉻4份、錳3份；上述所有原料均采用納米級(jí)粉末，其中碳化鎢的徑粒大小為10-100納米，氧化鋯和氮化鈦的徑粒大小為1-10納米，其他的徑粒大小為1-100納米；其制備方法是以碳化鎢為基體，添加氧化鋯和氮化鈦?zhàn)鳛樵鰪?qiáng)相，以氧化錳和氧化釹為穩(wěn)定劑，以鉻和錳作為燒結(jié)助劑，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成；具體制備步驟如下：
步驟一：按照重量份稱取上述所有原料；
步驟二：將碳化鎢、氧化鋯和氮化鈦加到無水乙醇與聚乙二醇的混合溶液中，然后充分?jǐn)嚢瑁瑫r(shí)超聲分散30分鐘，得到第一懸浮液；所述無水乙醇與聚乙二醇的體積比為1:2；
步驟三：將氧化錳、氧化釹、鉻和錳加到無水乙醇與聚乙二醇的混合溶液中，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散30分鐘，得到第二懸浮液；所述無水乙醇與聚乙二醇的體積比為1:2；
步驟四：將第一懸浮液和第二懸浮混合，然后充分?jǐn)嚢?，同時(shí)超聲分散20分鐘，得到總混合物懸浮液；
步驟五：將總混合物懸浮液倒入球磨罐中，以氬氣為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，直徑為2mm的鐵球?yàn)檠心デ?，?450MHz的微波環(huán)境下，球磨24小時(shí)，過濾得到研磨液；所有原料的總重量與研磨球的重量比為1:20；
步驟六：將研磨液在120℃溫度下真空干燥，完全干燥后在氬氣氣流中過篩，得到混合粉料，密封備用；
步驟七：采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟六所得的混合粉料壓模燒結(jié)成型即得；熱壓法燒結(jié)的工藝參數(shù)：升溫時(shí)間30min，保溫溫度1600℃，熱壓壓力40MPa，保溫時(shí)間60min，然后降溫至室溫。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)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(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。