超細WC顆粒增韌補強TiB₂基複合陶瓷刀具材料及其製備方法

2023-06-11 05:31:36

專利名稱：超細WC顆粒增韌補強TiB2基複合陶瓷刀具材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及新材料技術領域，尤其是一種超細WC顆粒增韌補強TB2基複合陶瓷 刀具材料及其製備方法。
背景技術：
TW2陶瓷具有某些獨特的物理化學性能，如熔點高、高溫硬度高、熱傳導性好、與 金屬的黏著性和摩擦係數低、化學穩定性好等，是一種很有發展前途的陶瓷材料。但由於 TiB2的自擴散係數低，使得它的可燒結性受到很大影響；同時，幾乎所有可作為陶瓷粘結相 的金屬與TB2都發生較為強烈的化學反應而導致陶瓷的強度和韌性低，其應用受到很大限 制，因此TB2基陶瓷材料的研究進展緩慢。目前研究較多的TiB2基陶瓷材料有Ti&-Fe、 TiB2-FeMo以及TiB2-Fe-Cr-Ni等。然而這些TW2基陶瓷材料中添加的金屬粘結相含量較 高，雖然獲得的材料較為緻密，但是材料的硬度降低嚴重、且金屬粘結相與切削工件材料的 親和性強，因此這樣的TiB2基陶瓷不適合用作刀具材料。通過向基體中添加增強相的方法能夠獲得綜合力學性能優異的複合陶瓷材料，超 細WC粉體具有高的燒結活性和強韌性，同時Ni金屬對WC和TiB2在真空熱壓條件下都具 有較好的潤溼性，Mo金屬作為穩定劑能吸收WC和TB2中游離的碳而形成碳化物固溶體並 進一步強化粘結相對WC和TB2的潤溼效果。本技術通過選擇合理的增韌補強相以及適量 的金屬燒結劑，並使用合理的製備工藝製備複合材料，提高了 TiB2基複合陶瓷材料的燒結 性能，獲得了能夠兼顧強度、韌度以及硬度的TiB2基複合陶瓷刀具材料。

發明內容
本發明的目的在於克服目前TB2基陶瓷刀具材料力學性能低、製備工藝複雜、成 本高的缺陷，提供質量優良、成本低廉的超細WC顆粒增韌補強TiB2基複合陶瓷刀具材料及 工藝簡單、成本低廉的製備方法。本發明通過利用高硬度的TiB2、高活性和強韌性的超細WC、金屬Ni和Mo對TW2 相和WC相的潤溼強化作用，通過分階段加壓和階梯逐步升溫的辦法，控制燒結工藝，優化 材料力學性能，研究出綜合力學性能優良的超細WC顆粒增韌補強TB2基複合陶瓷材料及 其製備方法，製備的陶瓷材料適合製作用於切削加工高硬度、高強度工件材料的刀具。本發明的基本構思是將TiB2、WC、Ni、Mo粉末按照一定的質量比例混合，採用真 空分階段加壓和階梯逐步升溫熱壓燒結法，在合適的升溫速率、壓力、生長溫度和保溫時間 下，合成系列TiB2-WC超硬材料。製備超細WC顆粒增韌補強打化基複合陶瓷刀具材料的混合粉末成分(質量比％) 為TiB2 70-75% ；WC 18-22% ；Ni 4-8% ；Mo 0-4%。製備工藝路線為⑴將按比例配製的TiB2、WC、Ni、Mo混合粉末裝入缸式球磨 機中，用硬質合金球磨M小時和用200目篩過篩；( 將過篩後的配料裝入上下封閉的石墨容器，再放入真空高溫燒結爐內；(3)採用分階段加壓和階梯逐步升溫熱壓燒結製備 TiB2-WC複合陶瓷刀具材料，將燒結初始壓力調整為5MPa並開始加溫燒結，15分鐘後將溫 度升高到1000°C並將壓力調整為IOMPa後保溫5分鐘，再經過8分鐘將溫度升高到1400°C 並將壓力調整為20MI^後保溫10分鐘，再將壓力調整為30MI^後經過5分鐘升溫至1650°C， 再將壓力調整為40MPa並保溫60分鐘，停止加熱自然冷卻。其合成的陶瓷刀具材料的純度高，細小的WC晶粒均勻的分布在TB2晶粒之間的 骨架微觀結構中，WC晶粒的平均尺寸小於lum，Ti4晶粒的平均尺寸為2 μ m。合成的陶瓷材 料的抗彎強度為 1133. 3-1307. OMPa，斷裂韌度為 7. 7-8. 2MPa. m°_5，硬度為 20. 6-22. 7GPa。本發明構思新穎，通過選擇適量金屬助燒劑和合理的製備工藝方法，克服了 TW2 陶瓷難於燒結的問題，在保證複合材料高硬度的前提下，充分發揮了超細WC顆粒的增韌補 強作用，提高了 TB2基複合陶瓷材料的抗彎強度和斷裂韌度。製備的複合材料質量高，能 滿足切削加工對刀具材料力學性能的要求，且成本低，設備及工藝簡單，易於產業化。
四

圖1為燒結工藝中的加熱過程曲線；圖2為燒結工藝中的加壓過程曲線；圖3為超細WC顆粒增韌補強TB2基複合陶瓷刀具材料的SEM圖；圖4為超細WC顆粒增韌補強TB2基複合陶瓷刀具材料的XRD圖。
五、實施例按實施例附表中所列的組成成分，(1)將混合粉末裝入缸式球磨機中，加入適量無 水乙醇稀釋後用硬質合金球磨M小時，再放入乾燥相中快速乾燥後使用200目篩過篩，獲 得TiB2-WC均勻複合粉體；(2)將複合粉體裝入石墨模具中，並使用壓力機將粉料壓實後放 入高溫燒結爐內，通過兩級真空泵使爐內達到高真空度，並使用上下兩個壓頭給模具加壓； (3)將燒結初始壓力調整為並開始加溫燒結，15分鐘後將溫度升高到KKKTC並將壓力 調整為IOMPa後保溫5分鐘，再經過8分鐘將溫度升高到1400°C並將壓力調整為20MPa後 保溫10分鐘，再將壓力調整為30MPa後經過5分鐘升溫至1650°C，再將壓力調整為40MPa 並保溫60分鐘，停止燒結自然冷卻，製備工藝完成。實施例附表
實施 例編號混合粉末的成分(wt%)刀具材料的力學性能TiB2WCNiMo抗彎強度 (MPa)斷裂韌度 (MPa.m05)硬度 (GPa)17220801133.37.720.627220441307.08.222.權利要求
1.超細WC顆粒增韌補強TiB2基複合陶瓷刀具材料，其特徵在於製備超細WC顆 粒增韌補強TW2基複合陶瓷刀具材料的混合粉末成分(質量比％ )為=TiB2 70-75% ； WC18-22% ；Ni 4-8% ；Mo 0—4 %。
2.製備權利要求1所述的超細WC顆粒增韌補強TB2基複合陶瓷刀具材料的工藝過程， 其特徵為(1)將按比例配製的Ti&、WC、Ni、Mo混合粉末裝入缸式球磨機中，用硬質合金球 磨M小時和用200目篩過篩；(2)將過篩後的配料裝入上下封閉的石墨容器，再放入真空 高溫燒結爐內；(3)採用分階段加壓和階梯逐步升溫熱壓燒結製備TiB2-WC複合陶瓷刀具 材料，將燒結初始壓力調整為並開始加溫燒結，15分鐘後將溫度升高到1000°C並將壓 力調整為IOMI^a後保溫5分鐘，再經過8分鐘將溫度升高到1400°C並將壓力調整為20MPa 後保溫10分鐘，再將壓力調整為30ΜΙ^後經過5分鐘升溫至1650°C，再將壓力調整為40MPa 並保溫60分鐘，停止加熱自然冷卻。
全文摘要
本發明涉及新材料技術領域，尤其是一種超細WC顆粒增韌補強TiB2基複合陶瓷刀具材料及其製備方法。製備超細WC顆粒增韌補強TiB2基複合陶瓷刀具材料的混合粉末成分(質量比％)為TiB2 70-75％；WC 18-22％；Ni 4-8％；Mo 0-4％。製備工藝路線為(1)將按比例配製的TiB2、WC、Ni、Mo混合粉末裝入缸式球磨機中，用硬質合金球磨24小時和用200目篩過篩；(2)將過篩後的配料裝入上下封閉的石墨容器，再放入真空高溫燒結爐內；(3)採用分階段加壓和階梯逐步升溫熱壓燒結製備TiB2-WC複合陶瓷刀具材料。本發明克服了TiB2陶瓷難於燒結的難題，在保證複合材料高硬度的前提下，發揮了超細WC顆粒的增韌補強作用，提高了材料的抗彎強度和斷裂韌度，該材料質量優、成本低，設備及工藝簡單，易於產業化。
文檔編號C22C29/14GK102094144SQ20101059027
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者劉含蓮, 劉戰強, 宋金鵬, 朱洪濤, 鄒斌, 黃傳真 申請人:山東大學