[发明专利]多相高强度、导热性好的氮化硅陶瓷刀具材料及刀具

说明书

技术领域

本发明涉及氮化硅陶瓷刀具材料及刀具领域，一种用于加工高温合金的多相高强导热性好的氮化硅陶瓷刀具材料及刀具。

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，用这种材料制成的刀具用来加工高温合金。

为解决上述技术问题，本发明在现有技术的基础上对原料组成、工艺及方法针对高热合金的特点做了进一步研究，在添加剂的选择上做了新的调整，提供一种高强度，导热性好的氮化硅陶瓷刀具材料，其微观结构为包括晶轴为1-3微米体积百分比为4vol%-6vol%的β-Si₃N₄针状长晶，晶体长径比为2:1-14:1；晶轴为1-3微米49vol%-60vol%的β'-Si₃N₄柱状晶,长径比为1：1-16:1晶轴为1-3微米26vol%-33vol%的α'-Si₃N₄柱状晶及等轴晶，长径比为1:1-3:1；8vol%-12vol%的晶间相Si，N，O，Y，两种或以上镧系稀土金属元素以及次致密化助剂金属元素。

具有上述微观结构的陶瓷毛坯材料所需测试样品，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。

β-sialon分子式很早即被发现为Si_6-zAl_zO_zN_8-z，在本发明中β-sialon分子式中的Z值为0.90-1.16。

同样α-sialon分子式也早就被发现，为R_x（Si,Al）₁₂（O，N）₁₆，，0<X<2，本发明中R包括Mg、Y以及两种及以上La系金属元素。

作为本发明的一种优选，所述两种及以上La系金属元素与稀土金属元素Y离子半径分别称阶梯型分布。