專利名稱：一種超高強超高韌陶瓷刀具及其制備方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷用品領域，特別涉及一種超高強超高韌陶瓷刀具及其制備方法。
背景技術：
切削加工在機械加工領域中占據了重要的地位，它是最基本，最可靠的加工手段。而刀具的性能是影響切削加工效率、精度、表面質量等得決定因素之一。國際機械生產技術研究協會(CIRP)的一項研究報告指出:“每一種新刀具材料的出現，都將使機械加工的能力和水平向前邁進一大步”。刀具材料是影響切削加工技術的最主要的因素，刀具幾何參數和刀具結構則是次要的因素。一個世紀以來刀具材料的發展從碳素工具鋼、高速鋼、硬質合金、TiC涂層硬質合金、Al2O3涂層硬質合金到新型陶瓷刀具的出現，提高了切削加工效率。自20世紀70年代出現陶瓷刀具以來，在其材料性能提高、制造工藝改進方面取得了實質性進展，歐、美、日等發達國家陶瓷刀具的應用占整個切削加工領域30%以上的份額。根據CIRP的資料，由于刀具材料的改進，加工時允許的切削速度幾乎10年即提高I倍。在現代化的加工過程中，提高加工效率的最有效的方法就是采用高速切削加工技術。傳統刀具因其局限性已無法勝任現代科技發展所需要的各種高強、高硬及高速切削領域和切削難加工材料方面顯示了傳統刀具無法比擬的優勢。進入21世紀，新一代陶瓷刀具材料的研究面向以復相陶瓷為基礎，采用高純超細的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等一 次粉料，以不同添加劑作為增韌、增強相，并根據不同的增韌補強機理來研究涉及材料的性能結構，通過優化燒結工藝實現各種具有一優良綜合性能的陶瓷刀具材料。據文獻統計，目前應用最廣泛的陶瓷刀具包括三大類=Al2O3系、Si3N4系和Sailon陶瓷刀具。但在刀具材料及制造方法方面則存在不足，一般采用熱壓、常壓燒結工藝方法，原始粉體顆粒較大，為微米級，使不同體系陶瓷刀具材料性能在滿足切削加工條件、提高加工效率等方面受到了限制。例如，Si3N4系和Al2O3系等雖然具有較好的耐磨性，但是脆性問題不能解決，因而只適合于切削冷硬鑄鐵和淬火鋼，而對大多數高韌性的鋼種則不能切削。與別的刀具材料相比，陶瓷刀具最顯著的缺點就是斷裂韌性不足，抗彎曲強度和抗熱沖擊性能較差，當切削溫度發生變化時，容易產生裂紋。作為評價其抗破損能力的重要指標之一，陶瓷需要通過適當的手段提高其硬度、抗彎強度及斷裂韌性，而在進行民用的陶瓷刀具用品時，陶瓷刀具和餐具的其它形式很容易崩裂，缺角，陶瓷刀具材料的斷裂韌性更為重要。中國專利CN 101602111A中公開了一種《超強超韌陶瓷刀具及其制作方法》，其原料經過預燒結、低溫熱處理和等離子高溫燒結處理，最后打磨拋光得到成品刀具。等離子高溫燒結處理是利用直流脈沖電流直接通電燒結的加壓燒結方法，通過調節脈沖直流電的大小控制升溫速率和燒結溫度。一般用于短時間、低溫、低壓燒結，以用于低壓低溫燒結。該專利采用等離子高溫燒結處理工藝雖然在一定程度上提高了陶瓷刀具的強度和韌性，但是它不能達到物料的足夠致密度，不能達到足夠的力學性能要求，還需進一步提高其硬度、抗彎強度及斷裂韌性。
發明內容
本發明實施例所要解決的技術問題在于，提供一種超高強超高韌陶瓷刀，該刀具硬度高、耐磨性好、抗熱沖擊性能優異、抗彎強度及斷裂韌性高，其導熱性、耐蝕性、抗氧化性以及高溫硬度、高溫強度等都有明顯優勢。本發明實施例所要解決的技術問題還在于，提供一種超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，該制備方法采用一種和以往不同的熱壓振動燒結方法以制作上述陶瓷刀具，該方法能大幅度提高產品的性能，可以達到以往達不到的性能參數，在性能上具有明顯優勢，應用范圍更廣。為達到上述技術效果，本發明實施例提供了一種超高強超高韌陶瓷刀具，所述超高強超高韌陶瓷刀具采用氧化鋯、氧化釔及稀土氧化物為主要原料，通過熱壓振動燒結工藝制備而得。作為上述方案的改進，所述振動熱壓燒結的燒結溫度為130(Γ1680 ，壓力為5 55MPa，振動幅度為0.5 10T，頻率為0 4次/s。作為上述方案的改進，其以質量份計的主要原料配方如下:
氧化鋯85 97%
氧化釔2 11%
稀土氧化物(Γ7%。相應地，本發明實施例提供了一種超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，依次包括以下步驟:
將經過預處理的粉體進行預壓成型，得到半成品刀具；
將經過預壓成型的所述半成品刀具進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為500^950 0C ；
將經過低溫熱處理的所述半成品刀具進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動燒結的溫度為 130(Tl680°C ；
將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具打磨、拋光，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。作為上述方案的改進，所述振動熱壓燒結的壓力為5 55MPa，振動幅度為0.5 10T，頻率為0 4次/S。作為上述方案的改進，在將經過預處理的粉體進行預壓成型，得到半成品刀具的步驟包括:
稱量制造超高強超高韌陶瓷刀具所需的主要原料；
將所述原料添加膠黏劑進行混合造粒；
將經過混合造粒的所述原料通過壓力機進行干壓成型，得到半成品刀具。作為上述方案的改進，所述膠黏劑為聚乙烯醇水溶液、羧甲基纖維素、甲基纖維素或變性淀粉中的一種或組合。作為上述方案的改進，將經過混合造粒的所述原料通過壓力機進行干壓成型，得到半成品刀具的步驟包括:
將經過混合造粒的所述原料置于刀具模具中；將所述置于刀具模具中的原料置于壓力機中進行干壓成型，得到半成品刀具，所述壓力機的公稱壓力為3(Γ200Τ。作為上述方案的改進，將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具打磨、拋光，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具的步驟包括:
將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具通過金剛石砂輪進行打磨，所述打磨包括表面粗磨和/或細磨；
將經過打磨的所述半成品刀具通過金剛石研磨膏進行拋光處理，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。實施本發明具有如下有益效果:
在涉及陶瓷刀具的專業技術領域中，與現有技術相比，本發明的技術改進點采用熱壓振動燒結工藝對陶瓷刀具進行燒成處理。首先，采用熱壓振動燒結工藝，被燒結材料在上下施加恒力的同時，施加一個可調振幅和頻率的振動力,這樣上下同時施加的是恒力加可變力，疊加就產生的振動力。材料在熱壓過程中加快擴散致密。其次，物料在熱壓振動燒結時，受到兩個大小相同，方向相反的力。這兩個力時刻也在變動，時刻達到一種動態的平衡，這樣比原來傳統的熱壓燒結的單向壓力多出了一個受力面，可以使物料在這樣的雙向作用下達到最大可能的致密，從而達到本物料的最佳性倉泛。再次，在熱壓后期的擴散爬移階段，材料內部伴隨收縮，其大部分氣孔已經排除，氣孔的收縮速度會大幅度減少，而且氣孔大部分變成閉氣孔，彼此孤立的閉氣孔受到擴散爬移的應力影響仍會不斷收縮。 而隨著封閉氣孔內壓力增大，進一步排除這些孤立氣孔就變得比較困難。擴散爬移的速度是去掉封閉氣孔的關鍵。而本發明熱壓振動燒結工藝，可變頻率和振幅的外加振動力提供了激勵因子，增加了擴散爬移速度。達到了最后排除氣孔的作用。因此，熱壓振動燒結主要是利用了振動這一項，可以使物料盡可能的致密。總之，由該方法制作出的超高強超高韌陶瓷刀具，其硬度高、耐磨性好，其熱穩定性、導熱性、耐蝕性、抗氧化性以及高溫硬度、高溫強度等都有明顯優勢；其可在高溫下連續快速切削，切削時摩擦力小，切割更鋒利、切口更整齊、無毛刺，用于切削加工生產，能夠極大地提高切削速度，進而提高生產效率；其不僅能夠用于替代硬質合金刀具加工各種難以切削的材料，加工準確、產品精度高。且由于其制作材料安全環保，用于食品及藥品切割更安全放心，有利于環保。該方法能大幅度提高產品的性能，可以達到以往達不到的性能參數，在性能上具有明顯優勢，可以應用到更多的領域。
圖1是本發明一種超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法的流程 圖2是本發明一種超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法的又一流程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。
本發明實施例提供了一種超高強超高韌陶瓷刀具，所述超高強超高韌陶瓷刀具采用氧化鋯、氧化釔及稀土氧化物為主要原料，通過熱壓振動燒結工藝制備而得。超高強超高韌陶瓷刀具以質量份計的主要原料配方如下:
氧化鋯85 97%
氧化釔2 11%
稀土氧化物(Γ7%。優選地，超高強超高韌陶瓷刀具以質量份計的主要原料配方如下:
氧化鋯87 94%
氧化釔3、％
稀土氧化物3 5%。本發明打破了傳統陶瓷刀具普遍采用氧化鋁基和氮化硅為基材的常規，采用氧化鋯為主要基材，配合氧化釔及稀土氧化物以一定比例制作而成，該刀具較現有陶瓷刀具而言，其硬度高、耐磨性好，其熱穩定性、導熱性、耐蝕性、抗氧化性以及高溫硬度、高溫強度等都具有明顯優勢，且由于其選用的制作材料安全環保，用于食品及藥品切割更安全放心，有利于環保。熱壓振動工藝適合超高強的結構陶瓷件的生產，可達到普通工藝無法達到的性能，可以應用到更多的領域。所述振動熱壓燒結的燒結溫度為130(Tl680°C，壓力為5 55MPa，振動幅度為0.5 10T，頻率為0 4次/S。優選地，所述振動熱壓燒結的燒結溫度為1470°C 1520°C，壓力為4(T45MPa，振動幅度為0.5^10T,頻率為(Γ2次/S。振動頻率目前有三種選擇，O次/S、I次/s和2次/S。如圖1所示，本發明實施例提供了一種超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，包括: S101，將經過預處理的粉體進行預壓成型，得到半成品刀具。所述預處理的粉體進行預壓成型的過程中，預壓成型的壓力為30— 200T。優選地，預壓成型的壓力為38T。S102，將經過預壓成型的所述半成品刀具進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為50(T950°C。優選地，低溫熱處理的溫度為600°C ^800°C。S103，將經過低溫熱處理的所述半成品刀具進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動燒結的溫度為130(Tl680°C。優選地，熱壓振動燒結的溫度為1470°C 1520°C。所述振動熱壓燒結的壓力為5 55MPa，振動幅度為0.5^10T,頻率為(Γ4次/s。優選地，振動熱壓燒結的壓力為4(T45MPa，而振動頻率和振幅需要設定，振幅為0.5 IOT ;振動頻率目前有三種選擇，O次/S、I次/s和2次/S。S104，將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具打磨、拋光，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。步驟S104包括:
將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具通過金剛石砂輪進行打磨，所述打磨包括表面粗磨和/或細磨；將經過打磨的所述半成品刀具通過金剛石研磨膏進行拋光處理，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。如圖2所示，本發明實施例提供了又一種高導熱超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，包括:
S201，稱量制造超高強超高韌陶瓷刀具所需的主要原料。步驟S201中所述的原料包括85、7%氧化鋯，2^11%氧化釔，(Γ7%稀土氧化物。優選地，步驟S201中所述的原料包括87 94%氧化鋯，3 9%氧化釔，3 5%稀土氧化物。需要說明的是，氧化鋯、氧化釔及稀土氧化物可以以粉末狀態混合，也可以呈其它狀態混合。
S202，將所述原料添加膠黏劑進行混合造粒。所述膠黏劑為聚乙烯醇水溶液、羧甲基纖維素(簡稱CMC)、甲基纖維素(簡稱MC)或變性淀粉中的一種或組合。該步驟通過混合造粒機將原料制成顆粒，所得顆粒的粒徑可以為但不限定于
0.1^0.2mm。優選地,顆粒的粒徑約為0.15mm。S203，將經過混合造粒的所述原料通過壓力機進行干壓成型，得到半成品刀具。步驟S203包括:
將經過混合造粒的所述原料置于刀具模具中；
將所述置于刀具模具中的原料置于壓力機中進行干壓成型，得到半成品刀具，所述壓力機的公稱壓力為3(Γ200Τ。優選地，所述壓力機的公稱壓力為38Τ。需要說明的是，本步驟根據刀具的形狀和尺寸制作出相應的刀具模具，將混合造粒后的原料置于該刀具模具中，經壓力機施加壓力進行干壓成型，得到致密坯體。S204，將所述半成品刀具進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為500 950。。。優選地，低溫熱處理的溫度為600°C ^800°C。S205，將經過低溫熱處理的所述半成品刀具進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動燒結的溫度為130(Tl680°C。具體地，將低溫熱處理后的半成品刀具置于燒結爐中，在高溫130(Tl68(rC的氛圍下進行熱壓振動燒結。優選地，熱壓振動燒結的溫度為1470°C 1520°C。所述振動熱壓燒結的壓力為5 55MPa，振動幅度為0.5^10T,頻率為(Γ4次/s。優選地，振動熱壓燒結的燒結壓力為4(T45MPa，而振動頻率和振幅需要設定，振幅為0.5 IOT ;振動頻率目前有三種選擇，O次/S、I次/s和2次/S。S206，將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具打磨、拋光，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。步驟S206包括:
將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具通過金剛石砂輪進行打磨，所述打磨包括表面粗磨和/或細磨；
將經過打磨的所述半成品刀具通過金剛石研磨膏進行拋光處理，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。本發明超高強超高韌陶瓷刀具在熱壓振動燒結工藝制備過程中，被燒結材料在上下施加恒力的同時，施加一個可調振幅和頻率的振動力，這樣上下同時施加的是恒力+可變力，疊加就產生的振動力。材料在熱壓過程中加快擴散致密。在熱壓的前期燒結過程中，振動在塑性流動中起的作用不大，而后期的擴散爬移階段是振動主要起作用的階段。熱壓燒結進入中后期，材料內部伴隨收縮的大部分氣孔已經排除，氣孔的收縮速度會大幅度減少，而且氣孔大部分變成閉氣孔，彼此孤立的閉氣孔受到擴散爬移的應力影響仍會不斷收縮，而隨著封閉氣孔內壓力增大，進一步排除這些孤立氣孔就變得比較困難。擴散爬移的速度是去掉封閉氣孔的關鍵。而本發明熱壓振動燒結工藝，可變頻率和振幅的外加振動力提供了激勵因子，增加了擴散速度。達到了最后排除氣孔的作用。恒力一般是在40MPa — 45MPa范圍選用。可變力一般要根據被加工材料的特性而定:(實踐經驗)
權利要求
1.一種超高強超高韌陶瓷刀具，其特征在于，所述超高強超高韌陶瓷刀具采用氧化鋯、氧化釔及稀土氧化物為主要原料，通過熱壓振動燒結工藝制備而得。
2.如權利要求1所述的超高強超高韌陶瓷刀具，其特征在于，所述振動熱壓燒結的燒結溫度為130(Tl680°C，壓力為5 55MPa，振動幅度為0.5 10T，頻率為0 4次/s。
3.如權利要求1所述的超高強超高韌陶瓷刀具，其特征在于，其以質量份計的主要原料配方如下: 氧化鋯85 97% 氧化釔2 11% 稀土氧化物(Γ7%。
4.一種超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，依次包括以下步驟: 將經過預處理的粉體進行預壓成型，得到半成品刀具； 將經過預壓成型的所述半成品刀具進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為500^950 0C ； 將經過低溫熱處理的所述半成品刀具進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動燒結的溫度為 130(Tl680°C ； 將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具打磨、拋光，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。
5.如權利要 求4所述的超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，所述振動熱壓燒結的壓力為5 55MPa，振動幅度為0.5 10T，頻率為0 4次/s。
6.如權利要求5所述的超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，在將經過預處理的粉體進行預壓成型，得到半成品刀具的步驟包括: 稱量制造超高強超高韌陶瓷刀具所需的主要原料； 將所述原料添加膠黏劑進行混合造粒； 將經過混合造粒的所述原料通過壓力機進行干壓成型，得到半成品刀具。
7.如權利要求6所述的超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，所述膠黏劑為聚乙烯醇水溶液、羧甲基纖維素、甲基纖維素或變性淀粉中的一種或組合。
8.如權利要求6所述的超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，將經過混合造粒的所述原料通過壓力機進行干壓成型，得到半成品刀具的步驟包括: 將經過混合造粒的所述原料置于刀具模具中； 將所述置于刀具模具中的原料置于壓力機中進行干壓成型，得到半成品刀具，所述壓力機的公稱壓力為3(Γ200Τ。
9.如權利要求4所述的超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具打磨、拋光，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具的步驟包括: 將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具通過金剛石砂輪進行打磨，所述打磨包括表面粗磨和/或細磨； 將經過打磨的所述半成品刀具通過金剛石研磨膏進行拋光處理，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。
全文摘要
本發明公開了一種超高強超高韌陶瓷刀具，所述超高強超高韌陶瓷刀具采用氧化鋯、氧化釔及稀土氧化物為主要原料，通過熱壓振動燒結工藝制備而得。相應地，本發明還公開了一種超高強超高韌陶瓷刀具的制備方法，包括將經過預處理的粉體進行預壓成型，得到半成品刀具；將所述半成品刀具進行低溫熱處理；將經過低溫熱處理的所述半成品刀具進行熱壓振動燒結；將經過熱壓振動燒結的所述半成品刀具打磨、拋光，得到所述超高強超高韌陶瓷刀具。采用本發明，該刀具硬度高、耐磨性好、抗熱沖擊性能優異、抗彎強度及斷裂韌性高，其導熱性、耐蝕性、抗氧化性以及高溫硬度、高溫強度等都有明顯優勢。
文檔編號C04B35/48GK103204678SQ20121001233
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者馮斌, 劉桔英, 鐘小棵, 熊建華, 李小燕, 周耀 申請人:佛山市陶瓷研究所有限公司, 佛山市南海金剛新材料有限公司