专利名称：一种超高强超高韧陶瓷刀具及其制备方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷用品领域，特别涉及一种超高强超高韧陶瓷刀具及其制备方法。
背景技术：
切削加工在机械加工领域中占据了重要的地位，它是最基本，最可靠的加工手段。而刀具的性能是影响切削加工效率、精度、表面质量等得决定因素之一。国际机械生产技术研究协会(CIRP)的一项研究报告指出:“每一种新刀具材料的出现，都将使机械加工的能力和水平向前迈进一大步”。刀具材料是影响切削加工技术的最主要的因素，刀具几何参数和刀具结构则是次要的因素。一个世纪以来刀具材料的发展从碳素工具钢、高速钢、硬质合金、TiC涂层硬质合金、Al2O3涂层硬质合金到新型陶瓷刀具的出现，提高了切削加工效率。自20世纪70年代出现陶瓷刀具以来，在其材料性能提高、制造工艺改进方面取得了实质性进展，欧、美、日等发达国家陶瓷刀具的应用占整个切削加工领域30%以上的份额。根据CIRP的资料，由于刀具材料的改进，加工时允许的切削速度几乎10年即提高I倍。在现代化的加工过程中，提高加工效率的最有效的方法就是采用高速切削加工技术。传统刀具因其局限性已无法胜任现代科技发展所需要的各种高强、高硬及高速切削领域和切削难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。进入21世纪，新一代陶瓷刀具材料的研究面向以复相陶瓷为基础，采用高纯超细的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等一 次粉料，以不同添加剂作为增韧、增强相，并根据不同的增韧补强机理来研究涉及材料的性能结构，通过优化烧结工艺实现各种具有一优良综合性能的陶瓷刀具材料。据文献统计，目前应用最广泛的陶瓷刀具包括三大类=Al2O3系、Si3N4系和Sailon陶瓷刀具。但在刀具材料及制造方法方面则存在不足，一般采用热压、常压烧结工艺方法，原始粉体颗粒较大，为微米级，使不同体系陶瓷刀具材料性能在满足切削加工条件、提高加工效率等方面受到了限制。例如，Si3N4系和Al2O3系等虽然具有较好的耐磨性，但是脆性问题不能解决，因而只适合于切削冷硬铸铁和淬火钢，而对大多数高韧性的钢种则不能切削。与别的刀具材料相比，陶瓷刀具最显著的缺点就是断裂韧性不足，抗弯曲强度和抗热冲击性能较差，当切削温度发生变化时，容易产生裂纹。作为评价其抗破损能力的重要指标之一，陶瓷需要通过适当的手段提高其硬度、抗弯强度及断裂韧性，而在进行民用的陶瓷刀具用品时，陶瓷刀具和餐具的其它形式很容易崩裂，缺角，陶瓷刀具材料的断裂韧性更为重要。中国专利CN 101602111A中公开了一种《超强超韧陶瓷刀具及其制作方法》，其原料经过预烧结、低温热处理和等离子高温烧结处理，最后打磨抛光得到成品刀具。等离子高温烧结处理是利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结方法，通过调节脉冲直流电的大小控制升温速率和烧结温度。一般用于短时间、低温、低压烧结，以用于低压低温烧结。该专利采用等离子高温烧结处理工艺虽然在一定程度上提高了陶瓷刀具的强度和韧性，但是它不能达到物料的足够致密度，不能达到足够的力学性能要求，还需进一步提高其硬度、抗弯强度及断裂韧性。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种超高强超高韧陶瓷刀，该刀具硬度高、耐磨性好、抗热冲击性能优异、抗弯强度及断裂韧性高，其导热性、耐蚀性、抗氧化性以及高温硬度、高温强度等都有明显优势。本发明实施例所要解决的技术问题还在于，提供一种超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，该制备方法采用一种和以往不同的热压振动烧结方法以制作上述陶瓷刀具，该方法能大幅度提高产品的性能，可以达到以往达不到的性能参数，在性能上具有明显优势，应用范围更广。为达到上述技术效果，本发明实施例提供了一种超高强超高韧陶瓷刀具，所述超高强超高韧陶瓷刀具采用氧化锆、氧化钇及稀土氧化物为主要原料，通过热压振动烧结工艺制备而得。作为上述方案的改进，所述振动热压烧结的烧结温度为130(Γ1680 ，压力为5 55MPa，振动幅度为0.5 10T，频率为0 4次/s。作为上述方案的改进，其以质量份计的主要原料配方如下:
氧化锆85 97%
氧化钇2 11%
稀土氧化物(Γ7%。相应地，本发明实施例提供了一种超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，依次包括以下步骤:
将经过预处理的粉体进行预压成型，得到半成品刀具；
将经过预压成型的所述半成品刀具进行低温热处理，其中，所述低温热处理的温度为500^950 0C ；
将经过低温热处理的所述半成品刀具进行热压振动烧结，其中，所述热压振动烧结的温度为 130(Tl680°C ；
将经过热压振动烧结的所述半成品刀具打磨、抛光，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。作为上述方案的改进，所述振动热压烧结的压力为5 55MPa，振动幅度为0.5 10T，频率为0 4次/S。作为上述方案的改进，在将经过预处理的粉体进行预压成型，得到半成品刀具的步骤包括:
称量制造超高强超高韧陶瓷刀具所需的主要原料；
将所述原料添加胶黏剂进行混合造粒；
将经过混合造粒的所述原料通过压力机进行干压成型，得到半成品刀具。作为上述方案的改进，所述胶黏剂为聚乙烯醇水溶液、羧甲基纤维素、甲基纤维素或变性淀粉中的一种或组合。作为上述方案的改进，将经过混合造粒的所述原料通过压力机进行干压成型，得到半成品刀具的步骤包括:
将经过混合造粒的所述原料置于刀具模具中；将所述置于刀具模具中的原料置于压力机中进行干压成型，得到半成品刀具，所述压力机的公称压力为3(Γ200Τ。作为上述方案的改进，将经过热压振动烧结的所述半成品刀具打磨、抛光，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具的步骤包括:
将经过热压振动烧结的所述半成品刀具通过金刚石砂轮进行打磨，所述打磨包括表面粗磨和/或细磨；
将经过打磨的所述半成品刀具通过金刚石研磨膏进行抛光处理，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。实施本发明具有如下有益效果:
在涉及陶瓷刀具的专业技术领域中，与现有技术相比，本发明的技术改进点采用热压振动烧结工艺对陶瓷刀具进行烧成处理。首先，采用热压振动烧结工艺，被烧结材料在上下施加恒力的同时，施加一个可调振幅和频率的振动力,这样上下同时施加的是恒力加可变力，叠加就产生的振动力。材料在热压过程中加快扩散致密。其次，物料在热压振动烧结时，受到两个大小相同，方向相反的力。这两个力时刻也在变动，时刻达到一种动态的平衡，这样比原来传统的热压烧结的单向压力多出了一个受力面，可以使物料在这样的双向作用下达到最大可能的致密，从而达到本物料的最佳性倉泛。再次，在热压后期的扩散爬移阶段，材料内部伴随收缩，其大部分气孔已经排除，气孔的收缩速度会大幅度减少，而且气孔大部分变成闭气孔，彼此孤立的闭气孔受到扩散爬移的应力影响仍会不断收缩。 而随着封闭气孔内压力增大，进一步排除这些孤立气孔就变得比较困难。扩散爬移的速度是去掉封闭气孔的关键。而本发明热压振动烧结工艺，可变频率和振幅的外加振动力提供了激励因子，增加了扩散爬移速度。达到了最后排除气孔的作用。因此，热压振动烧结主要是利用了振动这一项，可以使物料尽可能的致密。总之，由该方法制作出的超高强超高韧陶瓷刀具，其硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性以及高温硬度、高温强度等都有明显优势；其可在高温下连续快速切削，切削时摩擦力小，切割更锋利、切口更整齐、无毛刺，用于切削加工生产，能够极大地提高切削速度，进而提高生产效率；其不仅能够用于替代硬质合金刀具加工各种难以切削的材料，加工准确、产品精度高。且由于其制作材料安全环保，用于食品及药品切割更安全放心，有利于环保。该方法能大幅度提高产品的性能，可以达到以往达不到的性能参数，在性能上具有明显优势，可以应用到更多的领域。
图1是本发明一种超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法的流程 图2是本发明一种超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法的又一流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种超高强超高韧陶瓷刀具，所述超高强超高韧陶瓷刀具采用氧化锆、氧化钇及稀土氧化物为主要原料，通过热压振动烧结工艺制备而得。超高强超高韧陶瓷刀具以质量份计的主要原料配方如下:
氧化锆85 97%
氧化钇2 11%
稀土氧化物(Γ7%。优选地，超高强超高韧陶瓷刀具以质量份计的主要原料配方如下:
氧化锆87 94%
氧化钇3、％
稀土氧化物3 5%。本发明打破了传统陶瓷刀具普遍采用氧化铝基和氮化硅为基材的常规，采用氧化锆为主要基材，配合氧化钇及稀土氧化物以一定比例制作而成，该刀具较现有陶瓷刀具而言，其硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性以及高温硬度、高温强度等都具有明显优势，且由于其选用的制作材料安全环保，用于食品及药品切割更安全放心，有利于环保。热压振动工艺适合超高强的结构陶瓷件的生产，可达到普通工艺无法达到的性能，可以应用到更多的领域。所述振动热压烧结的烧结温度为130(Tl680°C，压力为5 55MPa，振动幅度为0.5 10T，频率为0 4次/S。优选地，所述振动热压烧结的烧结温度为1470°C 1520°C，压力为4(T45MPa，振动幅度为0.5^10T,频率为(Γ2次/S。振动频率目前有三种选择，O次/S、I次/s和2次/S。如图1所示，本发明实施例提供了一种超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，包括: S101，将经过预处理的粉体进行预压成型，得到半成品刀具。所述预处理的粉体进行预压成型的过程中，预压成型的压力为30— 200T。优选地，预压成型的压力为38T。S102，将经过预压成型的所述半成品刀具进行低温热处理，其中，所述低温热处理的温度为50(T950°C。优选地，低温热处理的温度为600°C ^800°C。S103，将经过低温热处理的所述半成品刀具进行热压振动烧结，其中，所述热压振动烧结的温度为130(Tl680°C。优选地，热压振动烧结的温度为1470°C 1520°C。所述振动热压烧结的压力为5 55MPa，振动幅度为0.5^10T,频率为(Γ4次/s。优选地，振动热压烧结的压力为4(T45MPa，而振动频率和振幅需要设定，振幅为0.5 IOT ;振动频率目前有三种选择，O次/S、I次/s和2次/S。S104，将经过热压振动烧结的所述半成品刀具打磨、抛光，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。步骤S104包括:
将经过热压振动烧结的所述半成品刀具通过金刚石砂轮进行打磨，所述打磨包括表面粗磨和/或细磨；将经过打磨的所述半成品刀具通过金刚石研磨膏进行抛光处理，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。如图2所示，本发明实施例提供了又一种高导热超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，包括:
S201，称量制造超高强超高韧陶瓷刀具所需的主要原料。步骤S201中所述的原料包括85、7%氧化锆，2^11%氧化钇，(Γ7%稀土氧化物。优选地，步骤S201中所述的原料包括87 94%氧化锆，3 9%氧化钇，3 5%稀土氧化物。需要说明的是，氧化锆、氧化钇及稀土氧化物可以以粉末状态混合，也可以呈其它状态混合。
S202，将所述原料添加胶黏剂进行混合造粒。所述胶黏剂为聚乙烯醇水溶液、羧甲基纤维素(简称CMC)、甲基纤维素(简称MC)或变性淀粉中的一种或组合。该步骤通过混合造粒机将原料制成颗粒，所得颗粒的粒径可以为但不限定于
0.1^0.2mm。优选地,颗粒的粒径约为0.15mm。S203，将经过混合造粒的所述原料通过压力机进行干压成型，得到半成品刀具。步骤S203包括:
将经过混合造粒的所述原料置于刀具模具中；
将所述置于刀具模具中的原料置于压力机中进行干压成型，得到半成品刀具，所述压力机的公称压力为3(Γ200Τ。优选地，所述压力机的公称压力为38Τ。需要说明的是，本步骤根据刀具的形状和尺寸制作出相应的刀具模具，将混合造粒后的原料置于该刀具模具中，经压力机施加压力进行干压成型，得到致密坯体。S204，将所述半成品刀具进行低温热处理，其中，所述低温热处理的温度为500 950。。。优选地，低温热处理的温度为600°C ^800°C。S205，将经过低温热处理的所述半成品刀具进行热压振动烧结，其中，所述热压振动烧结的温度为130(Tl680°C。具体地，将低温热处理后的半成品刀具置于烧结炉中，在高温130(Tl68(rC的氛围下进行热压振动烧结。优选地，热压振动烧结的温度为1470°C 1520°C。所述振动热压烧结的压力为5 55MPa，振动幅度为0.5^10T,频率为(Γ4次/s。优选地，振动热压烧结的烧结压力为4(T45MPa，而振动频率和振幅需要设定，振幅为0.5 IOT ;振动频率目前有三种选择，O次/S、I次/s和2次/S。S206，将经过热压振动烧结的所述半成品刀具打磨、抛光，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。步骤S206包括:
将经过热压振动烧结的所述半成品刀具通过金刚石砂轮进行打磨，所述打磨包括表面粗磨和/或细磨；
将经过打磨的所述半成品刀具通过金刚石研磨膏进行抛光处理，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。本发明超高强超高韧陶瓷刀具在热压振动烧结工艺制备过程中，被烧结材料在上下施加恒力的同时，施加一个可调振幅和频率的振动力，这样上下同时施加的是恒力+可变力，叠加就产生的振动力。材料在热压过程中加快扩散致密。在热压的前期烧结过程中，振动在塑性流动中起的作用不大，而后期的扩散爬移阶段是振动主要起作用的阶段。热压烧结进入中后期，材料内部伴随收缩的大部分气孔已经排除，气孔的收缩速度会大幅度减少，而且气孔大部分变成闭气孔，彼此孤立的闭气孔受到扩散爬移的应力影响仍会不断收缩，而随着封闭气孔内压力增大，进一步排除这些孤立气孔就变得比较困难。扩散爬移的速度是去掉封闭气孔的关键。而本发明热压振动烧结工艺，可变频率和振幅的外加振动力提供了激励因子，增加了扩散速度。达到了最后排除气孔的作用。恒力一般是在40MPa — 45MPa范围选用。可变力一般要根据被加工材料的特性而定:(实践经验)
权利要求
1.一种超高强超高韧陶瓷刀具，其特征在于，所述超高强超高韧陶瓷刀具采用氧化锆、氧化钇及稀土氧化物为主要原料，通过热压振动烧结工艺制备而得。
2.如权利要求1所述的超高强超高韧陶瓷刀具，其特征在于，所述振动热压烧结的烧结温度为130(Tl680°C，压力为5 55MPa，振动幅度为0.5 10T，频率为0 4次/s。
3.如权利要求1所述的超高强超高韧陶瓷刀具，其特征在于，其以质量份计的主要原料配方如下: 氧化锆85 97% 氧化钇2 11% 稀土氧化物(Γ7%。
4.一种超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤: 将经过预处理的粉体进行预压成型，得到半成品刀具； 将经过预压成型的所述半成品刀具进行低温热处理，其中，所述低温热处理的温度为500^950 0C ； 将经过低温热处理的所述半成品刀具进行热压振动烧结，其中，所述热压振动烧结的温度为 130(Tl680°C ； 将经过热压振动烧结的所述半成品刀具打磨、抛光，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。
5.如权利要 求4所述的超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，所述振动热压烧结的压力为5 55MPa，振动幅度为0.5 10T，频率为0 4次/s。
6.如权利要求5所述的超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，在将经过预处理的粉体进行预压成型，得到半成品刀具的步骤包括: 称量制造超高强超高韧陶瓷刀具所需的主要原料； 将所述原料添加胶黏剂进行混合造粒； 将经过混合造粒的所述原料通过压力机进行干压成型，得到半成品刀具。
7.如权利要求6所述的超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，所述胶黏剂为聚乙烯醇水溶液、羧甲基纤维素、甲基纤维素或变性淀粉中的一种或组合。
8.如权利要求6所述的超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，将经过混合造粒的所述原料通过压力机进行干压成型，得到半成品刀具的步骤包括: 将经过混合造粒的所述原料置于刀具模具中； 将所述置于刀具模具中的原料置于压力机中进行干压成型，得到半成品刀具，所述压力机的公称压力为3(Γ200Τ。
9.如权利要求4所述的超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，将经过热压振动烧结的所述半成品刀具打磨、抛光，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具的步骤包括: 将经过热压振动烧结的所述半成品刀具通过金刚石砂轮进行打磨，所述打磨包括表面粗磨和/或细磨； 将经过打磨的所述半成品刀具通过金刚石研磨膏进行抛光处理，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。
全文摘要
本发明公开了一种超高强超高韧陶瓷刀具，所述超高强超高韧陶瓷刀具采用氧化锆、氧化钇及稀土氧化物为主要原料，通过热压振动烧结工艺制备而得。相应地，本发明还公开了一种超高强超高韧陶瓷刀具的制备方法，包括将经过预处理的粉体进行预压成型，得到半成品刀具；将所述半成品刀具进行低温热处理；将经过低温热处理的所述半成品刀具进行热压振动烧结；将经过热压振动烧结的所述半成品刀具打磨、抛光，得到所述超高强超高韧陶瓷刀具。采用本发明，该刀具硬度高、耐磨性好、抗热冲击性能优异、抗弯强度及断裂韧性高，其导热性、耐蚀性、抗氧化性以及高温硬度、高温强度等都有明显优势。
文档编号C04B35/48GK103204678SQ20121001233
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者冯斌, 刘桔英, 钟小棵, 熊建华, 李小燕, 周耀 申请人:佛山市陶瓷研究所有限公司, 佛山市南海金刚新材料有限公司