一種氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料及其製備方法
2023-10-20 18:49:57 2
一種氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料及其製備方法
【專利摘要】本發明屬於金屬加工刀具材料【技術領域】，具體涉及一種氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料及其製備方法。所述材料通過下法製得：將納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，然後經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維，然後經熱穩定化、炭化，得到無機氧化鋯纖維；將得到的氧化鋯纖維作為增韌劑與立方氮化硼微粉、粘結劑混合，壓製成試塊；把試塊與傳壓介質裝配成合成塊，燒結得到立方氮化硼聚晶複合材料。本發明中製備的氧化鋯纖維增韌劑原料廉價易得，性能優良，利用其製備的立方氮化硼聚晶材料具有斷裂韌性好、抗衝擊性能高等特點，可以大大避免崩刀現象。
【專利說明】一種氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料及其製備方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明屬於金屬加工刀具材料【技術領域】，具體涉及一種氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料及其製備方法。
【背景技術】
[0003]立方氮化硼具有僅次於金剛石的硬度和導熱率，而且具有比金剛石高的耐熱性和與黑色金屬的化學惰性，採用立方氮化硼聚晶製造的刀具在加工難加工材料時具有獨特優勢,可滿足高硬度、高耐磨、高耐崩損性、耐高溫的要求。
[0004]隨著材料科學的進步，對刀具材料的硬度、耐磨性、韌性和強度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料應既具有極高的硬度、耐磨性，有利於提高切削效率，有利於延長刀具耐用度，同時又要具有好的抗衝擊韌性，使得其能夠承受大的切削力。如果韌性差，使用過程中容易出現「崩刀」現象，不僅破壞被加工工件，甚至會對設備有所損害或出現對操作者的傷害事故，必須停止加工過程，更換新的刀片，導致生產成本明顯增加。
[0005]中國專利CN201010542237.4公開了一種表面鍍鎳Si3N4晶須增韌聚晶立方氮化硼複合片的製備方法，採用Si3N4晶須及表面鍍覆納米鎳的Si3N4晶須的引入來增加聚晶立方氮化硼複合片的韌性，提高了刀具的耐衝擊性能，從而實現其長時間的連續車削，提高刀具的使用壽命和企業的生產效率。中國專利201010615047.0還公開了一種聚晶立方氮化硼複合片用的粉末狀粘結劑，包含有TiN、AIN、Si3N4, Co和SiO2,能增強複合片的抗衝擊性能。中國專利201110325539.0通過利用基體材料鎢鈷類硬質合金的高韌性，在聚晶立方氮化硼的聚晶層化學梯度性改變高韌`性鎢鈷類硬質合金基體的微粉含量，並採用無機非金屬晶須增強增韌來提高燒結聚晶立方氮化硼複合片的整體韌性。但上述方法都存在成本較高的問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料及其製備方法，可以提高聚晶立方氮化硼複合材料的整體韌性。
[0007]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下:
一種氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料，所述材料通過下法製得:將納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，然後經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維，然後經熱穩定化、炭化，得到無機氧化鋯纖維；將得到的氧化鋯纖維作為增韌劑與立方氮化硼微粉、粘結劑混合，壓製成試塊；把試塊與傳壓介質裝配成合成塊，燒結得到立方氮化硼聚晶複合材料。
[0008]其中，所述納米氧化鋯粉體既可以選用市售品，也可以通過下法製得:以氯氧化鋯為原料，連續加入氨水或草酸，連續攪拌加熱逐漸形成透明的溶膠，洗滌至無氯離子，乾燥研磨，之後焙燒，得到納米氧化鋯粉體。
[0009]其中，可分別用水和乙醇洗滌，用硝酸銀試劑檢驗是否還殘留有氯離子。
[0010]優選的，氯氧化鋯與氨水或草酸的摩爾比為1:0.5~2.0，攪拌加熱的溫度為60~99°C，焙燒溫度為700~1500°C，焙燒保溫時間為0.5~2.0小時，納米氧化鋯粉體粒徑為10~190nm。
[0011]有機無機雜化纖維熱穩定化時在乾燥的空氣氣氛中進行，按照升溫速率為10°C /h升溫至210~320°C保溫0.5-2小時。
[0012]經熱穩定化後的纖維按照20~40°C /h的升溫速率升溫至1200~1800°C下焙燒I~4小時得到無機氧化鋯纖維。
[0013]所述的立方氮化硼微粉的粒徑分布如下:1-4μm質量百分比為42%~45%，7-10 μ m 為 35% ~50%，12-15 μ m 為 5% ~20%。
[0014]更優選的，所述的立方氮化硼微粉的粒徑分布如下:1-4μm質量百分比為42%，7-10 μ m 為 45%, 12-15 μ m 為 13%。
[0015]氧化鋯纖維、立方氮化硼微粉、粘結劑混合時，各自的質量份數為立方氮化硼微粉25-90份，氧化鋯纖維0.5-15份，粘結劑2-35份；優選立方氮化硼微粉70-82份，氧化鋯纖維1-3份，粘結劑15-17份。
[0016]粘結劑為金屬鈷粉、金屬鎳粉、氮化鈦、氮化鋁、碳化鈦、碳化鎢中的一種或一種以上的混合物。
[0017]優選的，粘結劑選擇金屬鈷粉和氮化鈦的混合物，兩者的比例優選6-10:7-11。
[0018]所述粘結劑優選純度都大於99%，粒徑不大於10 μ m。
[0019]壓製成型的試塊優選放進有鹽管屏蔽層隔離的鑰杯中，再將裝好的鹽管放進石墨模具，最後裝入葉臘石腔體，封頭，裝配成合成塊。
[0020]裝配好的合成塊燒結的條件是:採用六面頂壓機設備進行合成，壓力為4.5~
7.0GPa，溫度1250~1600 °C，合成時間5~40分鐘。
[0021]具體的，本發明方法主要包括如下步驟:
(1)以氯氧化鋯為原料，採用計量連續加入氨水或草酸，連續攪拌加熱逐漸形成透明的溶膠，然後分別用水和乙醇洗滌至用硝酸銀試劑檢驗無氯離子，乾燥研磨，在微波燒結爐中焙燒，得到納米氧化鋯粉體；
(2)將去離子化的納米氧化鋯與聚丙烯腈樹脂共混，再經過溶液紡絲製備得到具有較高力學性能的有機無機雜化纖維，然後在一定溫度下經熱穩定化、炭化，得到無機氧化鋯纖維；
(3)將得到的氧化鋯纖維作為增韌劑與立方氮化硼微粉、粘結劑分別按照不同的比例進行混合，壓製成試塊；
(4)把壓製成型的試塊與傳壓介質裝配成合成塊，通過超高壓高溫燒結得到聚晶立方氮化硼。
[0022]本發明採用有機聚合物無機雜化製備氧化鋯纖維的方法，充分利用有機基體的可拉伸性，明顯提高氧化鋯纖維性能，利用其作為增韌劑製備的聚晶立方氮化硼具有斷裂韌性好、抗衝擊性能高等特點，可以大大避免崩刀現象，延長了使用壽命。加工成的刀具可用於加工硬度HRC45以上的工件材料，如，各種灰鑄鐵、淬硬鋼、高溫合金、高鈷硬質合金、表面噴塗材料、黑色粉末燒結金屬、鈦合金、純鎳、純鎢等高硬度、耐磨等難以用普通刀具進行加工的工件材料。
[0023]本發明與現有技術相比，具有如下優點:
本發明中製備的氧化鋯纖維增韌劑原料廉價易得，性能優良，利用其製備的立方氮化硼聚晶材料具有斷裂韌性好、抗衝擊性能高等特點，可以大大避免崩刀現象。
【具體實施方式】
[0024]以下以具體實施例來說明本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不限於此: 實施例1
氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料，通過下法製得:
(I)稱取氯氧化鋯300g，連續計量加入質量濃度為25%的氨水100g，在75~80°C連續攪拌加熱，逐漸形成透明的溶膠，然後分別用水和乙醇洗滌至用硝酸銀試劑檢驗無氯離子，乾燥研磨，在微波燒結爐中1000°C焙燒保溫lh，得到納米氧化鋯粉體，平均粒徑在92±21nm。
[0025](2)將去離子化的納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，再經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維。把製備得到的有機無機雜化纖維經熱穩定化、炭化，熱穩定化溫度在210°C，升溫速率在10°C /小時。經熱穩定化後的纖維在焙燒溫度1200°C下焙燒，升溫速率控制在30°C /小時，保溫時間為2小時，得到無機氧化鋯纖維。
[0026](3)選擇三種粒徑立方氮化硼的混合微粉，不同粒徑的立方氮化硼各自在混合微粉中的質量分數比是:1微米到4微`米範圍的佔42%，7微米到10微米範圍的佔45%，12微米到15微米範圍的佔13%。立方氮化硼微粉佔原料微粉的質量分數比是80%，氧化鋯纖維增韌劑3%，粘結劑金屬鈷粉和氮化鈦分別佔原料微粉的質量分數比是10%和7%。把上述原料微粉按設定比例進行混合，並壓製成試塊。
[0027](4)將壓製成型的試塊放進有鹽管屏蔽層隔離的鑰杯中，再將裝好的鹽管放進石墨模具，最後裝入葉臘石腔體，封頭，裝配成合成塊，烘箱中乾燥，再通過超高壓高溫燒結得到聚晶立方氮化硼。燒結的具體條件是採用六面頂壓機設備進行合成，壓力為5.5GPa，溫度1450°C，合成時間7分鐘。
[0028]上述方法製備得到的聚晶立方氮化硼複合材料顯微硬度為HV7220，衝擊韌性為772次，三點彎曲法測試抗彎強度為830MPa。
[0029]實施例2
氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料，通過下法製得:
(I)稱取氯氧化鋯150g，連續計量加入質量濃度為10%的草酸溶液750g，在80~85°C連續攪拌加熱，逐漸形成透明的溶膠，然後分別用水和乙醇洗滌至用硝酸銀試劑檢驗無氯離子，乾燥研磨，在微波燒結爐中1000°C焙燒保溫lh，得到納米氧化鋯粉體，平均粒徑在68土 20nm。
[0030](2)將去離子化的納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，再經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維。把製備得到的有機無機雜化纖維經熱穩定化、炭化，熱穩定化溫度在250°C，升溫速率在10°C/小時。經熱穩定化後的纖維在焙燒溫度1300°C下焙燒時的升溫速率控制在20°C/小時，保溫時間為2小時，得到無機氧化鋯纖維。
[0031](3)選擇三種粒徑立方氮化硼的混合微粉，不同粒徑的立方氮化硼各自在混合微粉中的質量分數比是:1微米到4微米範圍的佔42%，7微米到10微米範圍的佔45%，12微米到15微米範圍的佔13%。立方氮化硼微粉佔原料微粉的質量分數比是82%，氧化鋯纖維增韌劑2%，粘結劑金屬鈷粉和氮化鈦分別佔原料微粉的質量分數比是5%和11%。把上述原料微粉按設定比例進行混合，並壓製成試塊。
[0032](4)將壓製成型的試塊放進有鹽管屏蔽層隔離的鑰杯中，再將裝好的鹽管放進石墨模具，最後裝入葉臘石腔體，封頭，裝配成合成塊，烘箱中乾燥，再通過超高壓高溫燒結得到聚晶立方氮化硼。燒結的具體條件是採用六面頂壓機設備進行合成，壓力為5.6GPa，溫度1500°C，合成時間8分鐘。
[0033]上述方法製備得到的聚晶立方氮化硼複合材料顯微硬度為HV7260，衝擊韌性為791次，三點彎曲法測試抗彎強度為832MPa。
[0034]實施例3
氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料，通過下法製得:
(I)稱取氯氧化鋯300g，連續計量加入濃度為25%的氨水100g，在75~80°C連續攪拌加熱，逐漸形成透明的溶膠，然後分別用水和乙醇洗滌至用硝酸銀試劑檢驗無氯離子，乾燥研磨，在微波燒結爐中900°C焙燒保溫1.5h，得到納米氧化鋯粉體，平均粒徑在92±21nm。
[0035](2)將去離子化的納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，再經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維。把製備得到的有機無機雜化纖維經熱穩定化、炭化，熱穩定化溫度在280 °C，升溫速率在10°C/小時。經熱穩定化後的纖維在焙燒溫度1350°C下焙燒時的升溫速率控制在40°C/小時，保溫時間為2.5小時，得到無機氧化鋯纖維。
[0036](3)選擇三種粒徑立方氮化硼的混合微粉，不同粒徑的立方氮化硼各自在混合微粉中的質量分數比是:1微米到4微米範圍的佔42%，7微米到10微米範圍的佔45%，12微米到15微米範圍的佔13%。立方氮化硼微粉佔原料微粉的質量分數比是80%，氧化鋯纖維增韌劑3%，粘結劑金屬鈷粉和氮化鈦分別佔原料微粉的質量分數比是9%和8%。把上述原料微粉按設定比例進行混合，並壓製成試塊。
[0037](4)將壓製成型的試塊放進有鹽管屏蔽層隔離的鑰杯中，再將裝好的鹽管放進石墨模具，最後裝入葉臘石腔體，封頭，裝配成合成塊，烘箱中乾燥，再通過超高壓高溫燒結得到聚晶立方氮化硼。燒結的具體條件是採用六面頂壓機設備進行合成，壓力為5.6GPa，溫度1480°C，合成時間7分鐘。
[0038]上述方法製備得到的聚晶立方氮化硼複合材料顯微硬度為HV7060，衝擊韌性為733次，三點彎曲法測試抗彎強度為785MPa。
[0039]實施例4
氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料，通過下法製得:
Cl)稱取氯氧化鋯150g，連續計量加入濃度為10%的草酸溶液750g，在80~85°C連續攪拌加熱，逐漸形成透明的溶膠，然後分別用水和乙醇洗滌至用硝酸銀試劑檢驗無氯離子，乾燥研磨，在微波燒結爐中1100°C焙燒保溫lh，得到納米氧化鋯粉體，平均粒徑在68土 20nm。
[0040](2)將去離子化的納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，再經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維。把製備得到的有機無機雜化纖維經熱穩定化、炭化，熱穩定化溫度在300°C，升溫速率在10°C/小時。經熱穩定化後的纖維在焙燒溫度1400°C下焙燒時的升溫速率控制在40oC/小時，保溫時間為2小時，得到無機氧化鋯纖維。
[0041](3)選擇三種粒徑立方氮化硼的混合微粉，不同粒徑的立方氮化硼各自在混合微粉中的質量分數比是:1微米到4微米範圍的佔42%，7微米到10微米範圍的佔45%，12微米到15微米範圍的佔13%。立方氮化硼微粉佔原料微粉的質量分數比是82%，氧化鋯纖維增韌劑3%，粘結劑金屬鈷粉和氮化鈦分別佔原料微粉的質量分數比是5%和10%。把上述原料微粉按設定比例進行混合，並壓製成試塊。
[0042](4)將壓製成型的試塊放進有鹽管屏蔽層隔離的鑰杯中，再將裝好的鹽管放進石墨模具，最後裝入葉臘石腔體，封頭，裝配成合成塊，烘箱中乾燥，再通過超高壓高溫燒結得到聚晶立方氮化硼。燒結的具體條件是採用六面頂壓機設備進行合成，壓力為5.4GPa，溫度1450°C，合成時間8分鐘。
[0043]上述方法製備得到的聚晶立方氮化硼複合材料顯微硬度為HV7460，衝擊韌性為712次，三點彎曲法測試抗彎強度為791MPa。
[0044]實施例5
氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料，通過下法製得:
(I)稱取氯氧化鋯150g，連續計量加入濃度為10%的草酸溶液750g，在80~85°C連續攪拌加熱，逐漸形成透明的溶膠，然後分別用水和乙醇洗滌至用硝酸銀試劑檢驗無氯離子，乾燥研磨，在微波燒結爐中900°C焙燒保溫2h，得到納米氧化鋯粉體，平均粒徑在68土 20nm。
[0045](2)將去離子化的納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，再經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維。把製備得到的有機無機雜化纖維經熱穩定化、炭化，熱穩定化溫度在320°C，升溫速率在10°C/小時。經熱穩定化後的纖維在焙燒溫度1500°C下焙燒時的升溫速率控制在40oC/小時，保溫時間為3小時，得到無機氧化鋯纖維。
[0046](3)選擇三種粒徑立方氮化硼的混合微粉，不同粒徑的立方氮化硼各自在混合微粉中的質量分數比是:1微米到4微米範圍的佔42%，7微米到10微米範圍的佔45%，12微米到15微米範圍的佔13%。立方氮化硼微粉佔原料微粉的質量分數比是70%，氧化鋯纖維增韌劑15%，粘結劑金屬鈷粉和氮化鈦分別佔原料微粉的質量分數比是5%和10%。把上述原料微粉按設定比例進行混合，並壓製成試塊。
[0047](4)將壓製成型的試塊放進有鹽管屏蔽層隔離的鑰杯中，再將裝好的鹽管放進石墨模具，最後裝入葉臘石腔體，封頭，裝配成合成塊，烘箱中乾燥，再通過超高壓高溫燒結得到聚晶立方氮化硼。燒結的具體條件是採用六面頂壓機設備進行合成，壓力為5.6GPa，溫度1500°C，合成時間6分鐘。
[0048]上述方法製備得到的聚晶立方氮化硼複合材料顯微硬度為HV6684，衝擊韌性為889次，三點彎曲法測試抗彎強度為912MPa。
【權利要求】
1.一種氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料，其特徵在於，所述材料通過下法製得:將納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，然後經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維，然後經熱穩定化、炭化，得到無機氧化鋯纖維；將得到的氧化鋯纖維作為增韌劑與立方氮化硼微粉、粘結劑混合，壓製成試塊；把試塊與傳壓介質裝配成合成塊，燒結得到立方氮化硼聚晶複合材料。
2.氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，將納米氧化鋯粉體與聚丙烯腈樹脂共混，然後經過溶液紡絲製備得到有機無機雜化纖維，然後經熱穩定化、炭化，得到無機氧化鋯纖維；將得到的氧化鋯纖維作為增韌劑與立方氮化硼微粉、粘結劑混合，壓製成試塊；把試塊與傳壓介質裝配成合成塊，燒結得到立方氮化硼聚晶複合材料。
3.如權利要求2所述的氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，納米氧化鋯粉體通過下法製得:以氯氧化鋯為原料，連續加入氨水或草酸，連續攪拌加熱逐漸形成透明的溶膠，洗滌至無氯離子，乾燥研磨，之後焙燒，得到納米氧化鋯粉體。
4.如權利要求3所述的氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，氯氧化鋯與氨水或草酸的摩爾比為1:0.5~2.0，攪拌加熱的溫度為60~99°C，焙燒溫度為700~1500°C，焙燒保溫時間為0.5~2.0小時，納米氧化鋯粉體粒徑為10~190nmo
5.如權利要求2所述的氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，有機無機雜化纖維熱穩定化時在乾燥的空氣氣氛中進行，按照升溫速率為10°c /h升溫至210~320°C保溫0.5-2小時。
6.如權利要求5所述的氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，經熱穩定化後的纖維按照20~40°C /h的升溫速率升溫至1200~1800°C下焙燒I~4小時得到無機氧化鋯纖維。
7.如權利要求2所述的氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，所述的立方氮化硼微粉的粒徑分布如下:1-4 μ m質量百分比為42%~45%，7-10 μ m為 35% ~50%，12-15 μ m 為 5% ~20%。
8.如權利要求7所述的氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，氧化鋯纖維、立方氮化硼微粉、粘結劑混合時，各自的質量分數為立方氮化硼微粉25-90份，氧化鋯纖維0.5-15份，粘結劑2-35份。
9.如權利要求8所述的氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，粘結劑為金屬鈷粉、金屬鎳粉、氮化鈦、氮化鋁、碳化鈦、碳化鎢中的一種或一種以上的混合物。
10.如權利要求2所述的氧化鋯纖維增韌立方氮化硼聚晶複合材料的製備方法，其特徵在於，米用六面 頂壓機設備進行合成，壓力為4.5~7.0GPa,溫度1250~1600°C,合成時間5~40分鐘。
【文檔編號】C04B35/5831GK103553694SQ201310544199
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】張旺璽, 劉磊, 王佔勇, 盧金斌 申請人:禹州市和匯超硬材料有限公司, 中原工學院