[发明专利]一种超高强超高韧陶瓷刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷用品领域，特别涉及一种超高强超高韧陶瓷刀具及其制备方法。

背景技术

切削加工在机械加工领域中占据了重要的地位，它是最基本，最可靠的加工手段。而刀具的性能是影响切削加工效率、精度、表面质量等得决定因素之一。国际机械生产技术研究协会(CIRP)的一项研究报告指出:“每一种新刀具材料的出现，都将使机械加工的能力和水平向前迈进一大步”。刀具材料是影响切削加工技术的最主要的因素，刀具几何参数和刀具结构则是次要的因素。一个世纪以来刀具材料的发展从碳素工具钢、高速钢、硬质合金、TiC涂层硬质合金、Al₂O₃涂层硬质合金到新型陶瓷刀具的出现，提高了切削加工效率。

自20世纪70年代出现陶瓷刀具以来，在其材料性能提高、制造工艺改进方面取得了实质性进展，欧、美、日等发达国家陶瓷刀具的应用占整个切削加工领域30%以上的份额。根据CIRP的资料，由于刀具材料的改进，加工时允许的切削速度几乎10年即提高1倍。在现代化的加工过程中，提高加工效率的最有效的方法就是采用高速切削加工技术。传统刀具因其局限性已无法胜任现代科技发展所需要的各种高强、高硬及高速切削领域和切削难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。

进入21世纪，新一代陶瓷刀具材料的研究面向以复相陶瓷为基础，采用高纯超细的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等一次粉料，以不同添加剂作为增韧、增强相，并根据不同的增韧补强机理来研究涉及材料的性能结构，通过优化烧结工艺实现各种具有一优良综合性能的陶瓷刀具材料。

据文献统计，目前应用最广泛的陶瓷刀具包括三大类:A1₂O₃系、Si₃N₄系和Sailon陶瓷刀具。但在刀具材料及制造方法方面则存在不足，一般采用热压、常压烧结工艺方法，原始粉体颗粒较大，为微米级，使不同体系陶瓷刀具材料性能在满足切削加工条件、提高加工效率等方面受到了限制。例如， Si₃N₄系和A1₂O₃系等虽然具有较好的耐磨性，但是脆性问题不能解决，因而只适合于切削冷硬铸铁和淬火钢，而对大多数高韧性的钢种则不能切削。

与别的刀具材料相比，陶瓷刀具最显著的缺点就是断裂韧性不足，抗弯曲强度和抗热冲击性能较差，当切削温度发生变化时，容易产生裂纹。作为评价其抗破损能力的重要指标之一，陶瓷需要通过适当的手段提高其硬度、抗弯强度及断裂韧性，而在进行民用的陶瓷刀具用品时，陶瓷刀具和餐具的其它形式很容易崩裂，缺角，陶瓷刀具材料的断裂韧性更为重要。

中国专利CN 101602111A中公开了一种《超强超韧陶瓷刀具及其制作方法》，其原料经过预烧结、低温热处理和等离子高温烧结处理，最后打磨抛光得到成品刀具。等离子高温烧结处理是利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结方法，通过调节脉冲直流电的大小控制升温速率和烧结温度。一般用于短时间、低温、低压烧结，以用于低压低温烧结。该专利采用等离子高温烧结处理工艺虽然在一定程度上提高了陶瓷刀具的强度和韧性，但是它不能达到物料的足够致密度，不能达到足够的力学性能要求，还需进一步提高其硬度、抗弯强度及断裂韧性。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种超高强超高韧陶瓷刀，该刀具硬度高、耐磨性好、抗热冲击性能优异、抗弯强度及断裂韧性高，其导热性、耐蚀性、抗氧化性以及高温硬度、高温强度等都有明显优势。

本发明实施例所要解决的技术问题还在于，提供一种超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，该制备方法采用一种和以往不同的热压振动烧结方法以制作上述陶瓷刀具，该方法能大幅度提高产品的性能，可以达到以往达不到的性能参数，在性能上具有明显优势，应用范围更广。

为达到上述技术效果，本发明实施例提供了一种超高强超高韧陶瓷刀具，所述超高强超高韧陶瓷刀具采用氧化锆、氧化钇及稀土氧化物为主要原料，通过热压振动烧结工艺制备而得。

作为上述方案的改进，所述振动热压烧结的烧结温度为1300~1680℃，压力为5~55MPa，振动幅度为0.5~10T，频率为0~4次/s。 

作为上述方案的改进，其以质量份计的主要原料配方如下：

氧化锆              85~97%

氧化钇              2~11%

稀土氧化物          0~7%。