[发明专利]高强度、导热性好的氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制备方法，一种用于加工高温合金的多相高强度、导热性好的氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制备方法。

背景技术

近年来，氮化硅陶瓷刀具由于其较高的硬度，强度，断裂韧性，较小的膨胀系数，耐高温，优良的耐热冲击能力高的导热系数，以及自然界取之不尽的硅、氮等元素，在现代化加工领域得到广泛地应用。但是，随着现代化加工技术要求的不断提高，对相应材料性能的要求也水涨船高，对材料由于其性能的差别分工也越加细化，根据加工产品的性能不同使用之相匹配的的陶瓷刀具材料，既可以提高加工效率，又可以节省材料的损耗。

高温合金具有优良的高温强度、热稳定性及抗热疲劳性能，因此它广泛应用于航空航天、船舶、核工业、电站等行业，按基体元素：分为铁基、镍基、钴基等高温合金。镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件，与钴合金相比，镍合金能在较高温度与应力下工作。

与此同时，高温合金是最难加工的材料之一。其切削加工的特点有，切削力大，切削温度高，最高可达1000℃左右,加工硬化严重,塑性变形大，刀具易磨损，由于这些特点，切削高温合金的刀具材料应具有高的强度、良好的耐磨性和韧性、高的导热性和抗粘接能力等。

硬质合金加工镍基合金时，车削的速度通常小于100m/min,立方氮化硼刀具硬度高热稳定性好，但是价格比较昂贵，氮化硅(Si₃N₄)基陶瓷由于其特有的性能，车削镍基合金时，切削速度可达300m/min以上，超过硬质合金刀具，又由于其自润滑性，常用于干切削的条件。

美国专利US4818635公开了一种α′+β′Si-Al-O-N的刀具，在切削铸铁合金和高温合金上表现出优异的切削性能。其中α-sialon的分子式为M_x（Si,Al）₁₂（O，N）₁₆，，0<X<2M为Mg,Y等可以稳定α-sialon的金属元素，β-Sialon的分子式为Si_6-zAl_zO_zN_8-z，其中0<z≦4.2,z值的大小决定β-sialon陶瓷的性能。

现有技术对铸铁及合金的加工做了一个整体的研究，而随着科技的进步，对加工的要求也日益增高，根据加工材料的不同使用不同的切削刀具，可以最大限度地使用刀具，减少损耗，降低成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多相高强度，导热性好的氮化硅陶瓷刀具材料。用此材料加工的刀具用于加工高热合金。

为解决上述技术问题，发明才用重量百分比为74%-79%的α-Si₃N₄粉末；1%的β-Si₃N₄晶种，长径比2:1-5:1；5wt%的三种及以上稀土金属氧化物助剂；15wt%-20wt%的次致密化助剂金属氧化物和金属氮化物；混合，球磨，烘干后放入石墨磨具中在热压烧结炉中10-15MPa的压力下，在N₂中升温至1400℃-1450℃下保温3-5min，再升温至1750-1800℃保温30-60min后，在1300℃退火1小时。

用上述方法制成的陶瓷毛坯材料加工成所需测试样品，镜面抛光，测量强度、硬度及热导率，得到的陶瓷材料室温下所述陶瓷材料室温下抗弯强度为900-1000MPa，断裂韧性为9-9.5MPa/m²，硬度为92HRA，热导率为62-69W/m·K。

作为本发明的一种优选方案，次致密化助剂金属氧化物不是稀土金属氧化物，而是选择MgO、Al₂O₃和AlN的混合物。

作为本发明的又一种优选方案，三种及以上稀土金属氧化物助剂的离子半径成阶梯型分布。

作为本发明的再一种优选方案，三种及以上稀土金属氧化物包括Y₂O₃,La₂O₃和Nb₂O₃。

本发明所要解决的另外一个技术问题是，提供一种用于加工铸铁及合金的氮化硅陶瓷刀具的制备方法，其步骤是，使用上述方法生产出陶瓷毛坯刀具，平磨两面、线切割、研磨、倒棱、刃磨做成氮化硅陶瓷刀片。