CN85100177A - 高耐磨性高韧性氮化硅基陶瓷刀具材料 - Google Patents
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Abstract
一种改进的以碳化钛为耐磨分散相，氧化钇或其它稀土氧化物为致密化助剂的高耐磨性高韧性氮化硅基复合陶瓷具有优良的高温性能(强度、红硬性、耐磨性等)和化学稳定性。用这种陶瓷制成的刀具在加工淬硬钢(CrNMn、HRC58～68)和冷硬铸铁(HS71～73)工件，其刀具寿命是以往复合氮化硅陶瓷刀具的2～2.1倍，Al2O3-TiC刀的6～7倍，硬质合金刀H1与YT14的24～113倍。这类陶瓷还可制作多种精密机械零件(量块、导轨、轴承等)，也可制作拔丝模等工具。
Description
本发明涉及一种改进的氮化硅（Si3N4）基陶瓷材料，特别是一种适宜于用作刀具的由氮化硅基体、耐磨的分散相和耐高温的晶界相组成的陶瓷材料。
近年来氮化硅作主晶相基体，碳化钛（TiC）作耐磨分散相做成的刀具，具有很好的切削效果，这是因为氮化硅和碳化钛都有很好的耐磨性。但是以往这类刀具材料的晶界相，常常是高温性能较差的玻璃相，在切削温度下由于晶界玻璃相的软化将会影响到刀具的切削性能。美国专利U.S.128070（EP 0035777），采用氮化硅作基体，碳化钛作磨耐分散相，氧化钇（Y2O3）等作为致密化助剂。实际上，由致密化助剂和材料中的杂质如SiO2等所形成的晶界常为玻璃相，因而影响刀具的耐磨性和切削寿命。该专利提到加Al2O3作为附加的添加剂问题，但並未作实验。
由于在切削过程中，刀尖部分温度很高，可达1000℃以上。因此晶界玻璃相不良的耐热性将严重影响氮化硅主晶相固有耐磨性能的发挥，从而影响刀具的切削性能和切削寿命。
本发明的任务就是维持Si3N4作为主晶相基体和耐磨的TiC作为分散相，通过改变致密化助剂和适当的工艺，来改善Si3N4晶界相的结构，从而提高其耐热性和高温强度，增加刀尖部分在切削高温下的耐磨性。
本发明的任务以下述两方面来完成：在配料中除少量的Y2O3或其他稀土氧化物，还加入Al2O3或MgAl2O4，MgO，ZrO2等氧化物外，为了阻止晶粒过分发展和促进致密化的作用，还可加入少量AlN;为了尽可能减少晶界的玻璃相，提高晶界相的耐热性，可对材料进行退火处理，使晶界形成一部分熔点较高的结晶相。如钇铝石榴石、氧氮化铝硅固溶体，由于致密化助剂的加入量是很小的，所以主晶相仍为β-Si3N4。通过上述措施，最后可获得高致密性耐磨性高韧性的陶瓷刀具材料。
对本发明的详细描述如下：根据本发明，在重量100份的α-Si3N4粉末中，外加入耐磨的分散相TiC粉末5～30份，致密化助剂Y2O3或其他稀土氧化物1～10份，Al2O3或其他氧化化物如MgAl2O4，ZrO2，MgO等，0.5～5份，AlN0.5～5份。
对原材料的技术要求可为：Si3N4粉末中α相大于90%，纯度＞95%，平均粒径在0.1～2.0μ范围内;TiC的纯度＞98%，平均粒径在0.1～3μ范围内;致密化助剂的纯度大于98%，平均粒径为0.1～3μ的范围。
根据本发明，这种耐磨的氮化硅基陶瓷刀具材料，可采用无压烧结，热压或高温等静压法来达到致密化。无压烧结的温度范围可为1600～1900℃，热压的温度范围可为1600～1850℃压力可为150～400kg/cm2，恒温时间可为15～90分钟。如采用热压法，工艺过程如下：将α-Si3N4、TiC、致密化助剂等粉末按合适的比例称量，进行混磨、烘干、造粒，然后将混合粉末装入石墨模具中，置于热压炉内进行升温加压工艺，得到的β-Si3N4为基的材料，再进行退火处理，退火温度可在1200～1500℃范围内，最后切割成刀片使用。
用本发明所述的工艺制得的高耐磨性氮化硅基陶瓷材料，其主晶相应为β-Si3N4，分散相为TiC，其晶界相应为结晶相与极小量玻璃相。
根据本发明所制得的高耐磨性氮化硅基陶瓷材料，可用来加工淬硬钢、冷硬铸铁等难加工材料，不仅可以作刀具，还可用来制作精密轴承、轴套、量块、导轨、喷嘴和拔丝模等多种机械零部件。
实施例 取平均粒径1.7微米，纯度95%以上的α-Si3N4粉100克，加入30克TiC，4克Y2O3，3克Al2O3，2克AlN，在球磨罐中混磨48小时，然后烘干造粒，放入石墨模中，采用压力为200公斤/平方厘米，温度为1700℃～1850℃，时间为30分钟进行热压，便得到密致的烧结体。再将试件在1300℃～1500℃下进行退火处理。所得到的材料，其抗弯强度为70～80公斤/毫米平方，硬度HRA93～93.5，抗冲击韧性ak＝6～7公斤-厘米/平方厘米，相对密度99.5～100%。
然后和未加AlN或加AlN后而未退火的样品进行切削试验比较。被加工工件为CrWMn淬硬钢（HRC58～62），切削速度V＝57.93米/分，进给量f＝0.1毫米/转，切削深度a＝0.25毫米，当切削总路程定为L＝1373米，分别测定三种刀具的后刀面磨损VB，其结果列于下表。
从表中可以看到，对于加AlN添加剂同时又进行退火的，其后刀面磨损值可减小30%左右。
当后刀面磨损值固定为VB＝0.3毫米时，各种刀具的切削总路程L（或切削时间T）可作为刀具切削寿命的比较。当切削CrWMn淬硬钢时（HRC 58～62），本发明的刀具的切削寿命为过去的复合氮化硅刀具的2倍，为复合氧化铝陶瓷刀具（Al2O3+TiC）的7倍，为硬质合金刀具（YT14）的113倍。
当切削硬度为HS71-73的冷硬铸铁时，工件尺寸为φ256×450毫米，机床CW6163，切削用量：f＝0.19毫米/转，a＝0.25毫米，各种刀具采用自身的最佳切削速度。试验结果表明：本发明的刀具的切削寿命为以往的复合氮化硅刀具的2.1倍，为复合氧化铝陶瓷刀具（Al2O3+TiC）的6倍，为瑞典超细晶粒硬质合金刀具H1的24倍。
Claims (4)
1、一种以碳化钛作为耐磨分散相，以稀土氧化物作为致密化助剂的氮化硅基复合陶瓷材料，其特征在于致密化助剂有氧化镁、或氧化锆、或镁铝光晶石。
2、按权利要求1所述的氮化硅基陶瓷材料，其特征在于致密化助剂还有氮化铝，氮化铝的含量为0.5～5%。
3、按权利要求1所述的氮化硅基陶瓷材料，其特征在于氧化镁、氧化锆、镁铝光晶石的含量为0.5～5%。
4、按权利要求1，2，3所述的氮化硅基陶瓷材料，其特征在于烧结后进行退火处理，退火温度为1200～1500℃。
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