一种强化耐磨Si3N4-BN基复合型陶瓷刀具及其制备方法

本发明涉及陶瓷刀具，尤其涉及一种强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具及其制备方法。

背景技术：

1、随着汽车、航空、电子、能源等领域的快速发展和需求增长，全球车削加工市场规模不断扩大，并且伴随着技术的发展，车削加工对于车刀的质量要求越来越高，表现在高硬度、高韧性、低磨损等方面。金属陶瓷刀具有着优越的物理性能和化学性能，相较于传统陶瓷刀具，更加适用于高速切削、精密加工等领域。但目前现有技术金属陶瓷刀具在材料和技术上仍存在着很多问题，如：烧结不均匀、韧性不足、硬度不够、磨损率高等，难以满足高精密的车削加工需求。

技术实现思路

0、技术实现要素：∶

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具，以si3n4、bn作为陶瓷刀具主体基材料，通过优化配方设计，提高刀具的致密度和烧结性等，从而显著提高复合型陶瓷刀具的质量和性能，以满足高精密的车削加工需求。本发明的另一目的在于提供上述强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具的制备方法。

2、本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供的一种强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具，按照重量百分比原料组成为：α-si3n420～22wt％、γ-si3n411～13wt％、r-bn 16～17wt％、c-bn 13～15wt％、ti(c,n)10～12wt％、tic 8～10wt％、co 2.0～2.5wt％、ti 3.0～3.5wt％、mo 2.0～2.5wt％、烧结剂1.5～2.0wt％、分散剂3.0～4.0wt％、润滑剂0.8～1.0wt％、增强剂0.5～1.5wt％、涂层材料1.3～2.5wt％、负离子粉2.0～2.5wt％；

4、其中，所述烧结剂为按照质量比二氧化钛∶氧化锆＝7～9∶1的混合粉末；分散剂为按照体积比聚乙烯呲咯烷酮(pvp)∶乙二醇＝4～6∶1的混合溶液加入乙醇介质，通过超声振动、机械搅拌得到的浓度为0.5～2wt％的混合液；润滑剂为氮化硅；增强剂为按照质量比氧化铝∶氧化钇＝2～4∶1～3的混合粉末；涂层材料为碳化钨(wc)；负离子粉为电气石粉。

5、进一步地，本发明所述原料组成的粒径为α-si3n40.40～0.46μm、γ-si3n40.42～0.47μm、r-bn 6～12μm、c-bn 5～10μm、ti(c,n)0.5～0.6μm、tic 1～5μm、co 2～3μm、ti 2～3μm、mo 2～3μm、烧结剂0.4～0.6μm、润滑剂0.8～1.0μm、增强剂0.4～0.8μm、涂层材料0.14～0.20μm、负离子粉0.6～1.2μm。

6、本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

7、本发明提供的上述强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)混合粉体的制备

9、按照所述原料组成，将ti(c,n)和tic粉末加入分散剂中进行混合，然后再加入α-si3n4、γ-si3n4、r-bn、c-bn、co、ti、mo、烧结剂、润滑剂、增强剂、负离子粉进行球磨处理，球磨48～72h后，将得到的均匀料浆在100～120℃温度下干燥8～10h，过筛后得到混合粉体；

10、(2)冷等静压成型、低温预烧结

11、将所述混合粉体采用冷等静压成型技术，在150～200mpa压力下保压15～25min，然后将得到的生坯体进行低温预烧结，即以25℃/min速度升温至150～200℃并保温3～7min，再以30℃/min速度升温至200～300℃并保温20～40min，得到预烧结的刀具坯体；

12、(3)添加涂层、真空热压烧结

13、将所述刀具坯体进行清洗以除去表面油脂，然后放入真空室中，控制压力在10-3～10-5pa，通过电子枪加热涂层材料即固体wc粉末至3000～3500℃，得到碳化钨(wc)蒸气原子，沉积1.5～2h后，从而使刀具坯体表面形成涂层；再将涂层后的刀具坯体放入真空热压机内在压强150～200mpa、温度1400～1600℃下真空热压烧结1～1.5h，得到半成品刀具；

14、(4)成品完成

15、对上述半成品刀具进行激光雕刻，表面粗磨、细磨、抛光、开刃，得到成品强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具。

16、本发明具有以下有益效果：

17、(1)si3n4、bn材料本身具有硬度大、抗弯能力强、高耐磨等优异性能，相比于传统的陶瓷材料，si3n4、bn材料在高温、高压、高负荷等恶劣条件下表现更为出色。本发明通过优化配方设计，即采用si3n4和bn作为基体相，ti(c,n)和tic作为增强相；微米tic主要分布在晶粒内部，作为基体相si3n4和bn成核剂；微米ti(c,n)主要分布在晶界处，阻止基体相迁移，同时提高晶界致密度；以co、ti、mo作为粘结相，进一步提高了晶体的致密度，所获得的si3n4-bn基复合型陶瓷刀具其质量和性能有了显著的提高。

18、(2)本发明以si3n4、bn作为陶瓷刀具主体基材料，先经过分步升温进行预烧结，能防止晶粒长大，使得刀具硬度大、韧性高；再通过真空热压烧结提高材料物相纯度，提高烧结均匀性，刀具更不易磨损。所得si3n4-bn基复合型金属陶瓷刀具具有高硬度、高韧性和低磨损的特点(断裂韧性＞45mpa·m1/2、硬度＞55hrc、磨损量＜6g)，不仅提高了刀具的使用寿命，而且很好地满足了高精度车削加工对车刀的要求。

技术特征：

1.一种强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具，其特征在于按照重量百分比原料组成为：α-si3n420～22wt％、γ-si3n411～13wt％、r-bn 16～17wt％、c-bn 13～15wt％、ti(c,n)10～12wt％、tic 8～10wt％、co 2.0～2.5wt％、ti 3.0～3.5wt％、mo 2.0～2.5wt％、烧结剂1.5～2.0wt％、分散剂3.0～4.0wt％、润滑剂0.8～1.0wt％、增强剂0.5～1.5wt％、涂层材料1.3～2.5wt％、负离子粉2.0～2.5wt％；

2.根据权利要求1所述的强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具，其特征在于：所述原料组成的粒径为α-si3n40.40～0.46μm、γ-si3n40.42～0.47μm、r-bn 6～12μm、c-bn 5～10μm、ti(c,n)0.5～0.6μm、tic 1～5μm、co 2～3μm、ti 2～3μm、mo 2～3μm、烧结剂0.4～0.6μm、润滑剂0.8～1.0μm、增强剂0.4～0.8μm、涂层材料0.14～0.20μm、负离子粉0.6～1.2μm。

3.权利要求1或2所述强化耐磨si3n4-bn基复合型陶瓷刀具的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种强化耐磨Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;‑BN基复合型陶瓷刀具及其制备方法，按照重量百分比原料组成为α‑Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;20～22wt％、γ‑Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;11～13wt％、r‑BN 16～17wt％、c‑BN 13～15wt％、Ti(C,N)10～12wt％、TiC 8～10wt％、Co 2.0～2.5wt％、Ti 3.0～3.5wt％、Mo 2.0～2.5wt％、烧结剂1.5～2.0wt％、分散剂3.0～4.0wt％、润滑剂0.8～1.0wt％、增强剂0.5～1.5wt％、涂层材料1.3～2.5wt％、负离子粉2.0～2.5wt％。本发明以Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;、BN作为陶瓷刀具主体基材料，通过优化配方设计和制备工艺，提高了刀具的致密度和烧结性等，从而显著提高了复合型陶瓷刀具的质量和性能，能够很好地满足高精密的车削加工需求。技术研发人员：韩文,冯浩,乐建波,刘志环,王兴国,徐晗受保护的技术使用者：景德镇陶瓷大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17