一种氮化硅‑碳化硅微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结制备方法与流程

本发明属于微波烧结材料科学领域，特别是一种氮化硅-碳化硅微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结制备方法。

背景技术：

Si₃N₄陶瓷具有高硬度(HRA91-93)、耐磨性、耐高温性(1300-1400℃)、抗热震性、抗疲劳强度和断裂韧性(相对于Al₂O₃)。因此在工业领域有着广泛应用。由于优秀的性能和刀具的要求不谋而合，其在机械加工领域，作为高速切削刀具材料有着不可预估的发展前景。但相比硬质合金刀具，Si₃N₄材料的韧性偏低，这也限制了其作为切削材料的应用。

从现有的文章(Zou B,Huang C Z,Liu H L,Chen M.Preparation and characterization of Si₃N₄/TiN nanocomposites ceramic tool materials.Materials Processing Technology,2009.209(9):4595-4600)可知，现阶段的Si₃N₄陶瓷刀具材料采用气压烧结、放电等离子烧结、热压烧结和无压烧结等。主要采用热压烧结工艺，热压烧结在烧结过程中同时加热加压，能极大的促进烧结进程，容易得到高致密度，高力学性能的材料。

但是，热压烧结也有诸多弊端：单向加压会导致材料内部压力不均，使得内部致密性和力学性能不均(采用热等静压烧结可以解决这个问题，但同时热等静压装置和维护成本更加高昂)；由外而内的热辐射、热传导的加热方式会引起材料由外而内的较大温度梯度，产生残余应力，对材料的力学性能是很大的隐患；整个烧结过程的能量损耗，时间成本都很大，不利于批量生产。

由现有的资料(Hanpeng Hu,Yu Cheng.Mechanical properties and microstructure of Ti(C,N)based cermet cutting tool materials fabricated by microwave sintering.Ceramics International.41(2015)15017–15023)可知，微波烧结的出现很好的解决了传统烧结方式的弊端。材料通过吸收微波能来自身发热，从而达到烧结的效果。这一特殊的烧结工艺具有诸多优势：烧结速度快，能有效抑制晶粒的异常长大，改善力学性能，同时提高了效率，有利于批量生产；由内而外的自身加热也大大改善了材料内部温度分布不均的情况，对材料性能的稳定有了更好的保障；特殊的微波效应还能降低材料烧结温度，使得这一工艺更加节能，省时，绿色，安全。

出于对Si₃N₄材料与微波耦合问题的考虑，并且由于微波烧结工艺本身的不成熟，目前尚无利用微波烧结工艺制备Si₃N₄刀具材料的相关报道。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种氮化硅-碳化硅微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种氮化硅-碳化硅微米复合陶瓷刀具材料，按质量百分比计材料组成为：ɑ-Si₃N₄ 70％-85％，ɑ-SiC 5％-20％，MgO 5％-10％。

一种制备上述氮化硅-碳化硅微米复合陶瓷刀具材料的方法，包括以下步骤：

步骤1、配料，称取ɑ-Si₃N₄、ɑ-SiC和MgO粉末，进行配料；

步骤2、混料，将步骤1所配粉末进行混料，混料介质为无水乙醇；

步骤3、造粒，在混料完成后的物料中加入PVA胶体，继续球磨；

步骤4、成型，将步骤3中混合好的浆料进行真空干燥，之后研磨直至过100目筛为止；

步骤5、将过筛后的粉末分成若干份，每份1.5～5g，之后分别对每份粉末干压成型，成型后以100MPa/min的速率卸压；

步骤6、烧结，将干压成型后的块体包上石墨纸，放入保温装置并放入微波炉内，对微波炉抽真空并通入氮气，然后开启微波电源进行加热，加热后保温一定时间，最后随炉冷却至室温，完成陶瓷刀具材料的制备。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的微波烧结工艺的烧结温度低，保温时间短，可大大提高生产效率、降低生产成本；2)本发明在Si₃N₄基体中加入微波耦合性良好的SiC，实现了Si₃N₄刀具材料的微波烧结，充分展示了微波烧结的优势；3)本发明提供的Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料通过向Si₃N₄基体中添加SiC的方法，提高了材料的硬度、韧性和烧结性能；4)本发明的一种Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法易于实现规模生产。

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的SEM图。

图2为本发明实施例1的XRD图。

具体实施方式

本发明的一种氮化硅-碳化硅微米复合陶瓷刀具材料，按质量百分比计材料组成为：ɑ-Si₃N₄ 70％-85％，ɑ-SiC 5％-20％，MgO 5％-10％。

一种制备上述氮化硅-碳化硅微米复合陶瓷刀具材料的方法，包括以下步骤：

步骤1、配料，称取ɑ-Si₃N₄、ɑ-SiC和MgO粉末，进行配料；所述ɑ-Si₃N₄粉末为亚微米ɑ-Si₃N₄粉末，其粒径0.7μm，纯度99.9％；ɑ-SiC粉末为亚微米ɑ-SiC粉末，其粒径0.8μm，纯度99.6％；MgO粉末为微米MgO粉末，其粒径1.0μm，纯度99.9％。

步骤2、混料，将步骤1所配粉末进行混料，混料介质为无水乙醇；混料时，所用磨球为氧化铝磨球，球料比为8:1，球磨时间为12～48h。

步骤3、造粒，在混料完成后的物料中加入PVA胶体，继续球磨；加入的PVA胶体浓度为3％～5％，继续球磨的时间为2h。

步骤4、将步骤3中混合好的浆料进行真空干燥，之后研磨直至过100目筛为止；

步骤5、成型，将过筛后的粉末分成若干份，每份1.5～5g，之后分别对每份粉末干压成型，成型后缓慢卸压；干压成型时的压力为100～250MPa，保压时间是2min，卸压速率为100MPa/min。

步骤6、烧结，将干压成型后的块体包上石墨纸，放入保温装置并放入微波炉内，对微波炉抽真空并通入氮气，然后开启微波电源进行加热，加热后保温一定时间，最后随炉冷却至室温，完成陶瓷刀具材料的制备。

微波炉内氮气气压为0.04MPa；进行加热时，以30～40℃/min的速度加热至800℃后，再以20～30℃/min的速度加热至1500～1700℃；保温时间为10～25min，所述氮气纯度为99.99％。

本发明的微波烧结工艺的烧结温度低，保温时间短，可大大提高生产效率、降低生产成本。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

一种Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法，具体为：按质量百分比亚微米ɑ-Si₃N₄为80％，亚微米ɑ-SiC为15％，微米MgO为5％。所述亚微米ɑ-Si₃N₄粉末粒径0.7μm，亚微米ɑ-SiC粉末粒径0.8μm，微米MgO粉末粒径1.0μm。将配制的混合粉末以无水乙醇为介质进行球磨48h，球料比8:1。加入浓度5％的PVA胶体，再球磨2h。球磨后进行真空干燥，再研磨过100目筛。取2g粉末干压成型，压力200MPa，保压2min，以100MPa/min的速率卸压。将成型试样加入微波炉中，抽真空至0.005MPa，再冲入99.99％纯度的氮气，至0.04MPa。然后开启微波电源进行加热，以30℃/min的速度加热至800℃后，再以20℃/min的速度加热至1600℃，在此温度下保温10min后随炉冷却，最后取出烧制成的陶瓷刀具材料。

测得材料致密度97.6％，维氏硬度：14.6GPa韧性：9.0MPa·m^1/2，可以满足刀具的使用要求。

由图1可知，材料的微观结构致密，气孔较少，可看出互相交错的长柱状β-Si₃N₄晶粒。辅以材料的XRD相图(图2)可以看出，Si₃N₄已经完成了从ɑ相到β相的完全转变。

实施例2

一种Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法，具体为：按质量百分比亚微米ɑ-Si₃N₄为70％，亚微米ɑ-SiC为20％，微米MgO为10％。所述亚微米ɑ-Si₃N₄粉末粒径0.7μm，亚微米ɑ-SiC粉末粒径0.8μm，微米MgO粉末粒径1.0μm。将配制的混合粉末以无水乙醇为介质进行球磨48h，球料比8:1。加入浓度5％的PVA胶体，再球磨2h。球磨后进行真空干燥，再研磨过100目筛。取2g粉末干压成型，压力200MPa，保压2min，以100MPa/min的速率卸压。将成型试样加入微波炉中，抽真空至0.005MPa，再冲入99.99％纯度的氮气，至0.04MPa。然后开启微波电源进行加热，以30℃/min的速度加热至800℃后，再以20℃/min的速度加热至1700℃，在此温度下保温15min后随炉冷却，最后取出烧制成的陶瓷刀具材料。

测得材料致密度96.6％，维氏硬度：14.5GPa韧性：7.4MPa·m^1/2，可以满足刀具的使用要求。

实施例3

一种Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法，具体为：按质量百分比亚微米ɑ-Si₃N₄为82％，亚微米ɑ-SiC为10％，微米MgO为8％。所述亚微米ɑ-Si₃N₄粉末粒径0.7μm，亚微米ɑ-SiC粉末粒径0.8μm，微米MgO粉末粒径1.0μm。将配制的混合粉末以无水乙醇为介质进行球磨48h，球料比8:1。加入浓度5％的PVA胶体，再球磨2h。球磨后进行真空干燥，再研磨过100目筛。取2g粉末干压成型，压力200MPa，保压2min，以100MPa/min的速率卸压。将成型试样加入微波炉中，抽真空至0.005MPa，再冲入99.99％纯度的氮气，至0.04MPa。然后开启微波电源进行加热，以40℃/min的速度加热至800℃后，再以20℃/min的速度加热至1600℃，在此温度下保温10min后随炉冷却，最后取出烧制成的陶瓷刀具材料。

测得材料致密度97.5％，维氏硬度：15.0GPa韧性：7.1MPa·m^1/2，可以满足刀具的使用要求。

实施例4

一种Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法，具体为：按质量百分比亚微米ɑ-Si₃N₄为85％，亚微米ɑ-SiC为5％，微米MgO为10％。所述亚微米ɑ-Si₃N₄粉末粒径0.7μm，亚微米ɑ-SiC粉末粒径0.8μm，微米MgO粉末粒径1.0μm。将配制的混合粉末以无水乙醇为介质进行球磨48h，球料比8:1。加入浓度5％的PVA胶体，再球磨2h。球磨后进行真空干燥，再研磨过100目筛。取2g粉末干压成型，压力200MPa，保压2min，以100MPa/min的速率卸压。将成型试样加入微波炉中，抽真空至0.005MPa，再冲入99.99％纯度的氮气，至0.04MPa。然后开启微波电源进行加热，以40℃/min的速度加热至800℃后，再以30℃/min的速度加热至1500℃，在此温度下保温10min后随炉冷却，最后取出烧制成的陶瓷刀具材料。

测得材料致密度96.4％，维氏硬度：14.4GPa韧性：6.5MPa·m^1/2。

实施例5

一种Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法，具体为：按质量百分比亚微米ɑ-Si₃N₄为80％，亚微米ɑ-SiC为15％，微米MgO为5％。所述亚微米ɑ-Si₃N₄粉末粒径0.7μm，亚微米ɑ-SiC粉末粒径0.8μm，微米MgO粉末粒径1.0μm。将配制的混合粉末以无水乙醇为介质进行球磨48h，球料比8:1。加入浓度5％的PVA胶体，再球磨2h。球磨后进行真空干燥，再研磨过100目筛。取2g粉末干压成型，压力150MPa，保压2min，以100MPa/min的速率卸压。将成型试样加入微波炉中，抽真空至0.005MPa，再冲入99.99％纯度的氮气，至0.04MPa。然后开启微波电源进行加热，以40℃/min的速度加热至800℃后，再以20℃/min的速度加热至1700℃，在此温度下保温10min后随炉冷却，最后取出烧制成的陶瓷刀具材料。

测得材料致密度95.4％，维氏硬度：14.3GPa韧性：6.2MPa·m^1/2。

实施例6

一种Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法，具体为：按质量百分比亚微米ɑ-Si₃N₄为80％，亚微米ɑ-SiC为15％，微米MgO为5％。所述亚微米ɑ-Si₃N₄粉末粒径0.7μm，亚微米ɑ-SiC粉末粒径0.8μm，微米MgO粉末粒径1.0μm。将配制的混合粉末以无水乙醇为介质进行球磨48h，球料比8:1。加入浓度3％的PVA胶体，再球磨2h。球磨后进行真空干燥，再研磨过100目筛。取2.5g粉末干压成型，压力250MPa，保压2min，以100MPa/min的速率卸压。将成型试样加入微波炉中，抽真空至0.005MPa，再冲入99.99％纯度的氮气，至0.04MPa。然后开启微波电源进行加热，以40℃/min的速度加热至800℃后，再以20℃/min的速度加热至1750℃，在此温度下保温10min后随炉冷却，最后取出烧制成的陶瓷刀具材料。

测得材料致密度97.1％，维氏硬度：14.4GPa韧性：7.5MPa·m^1/2。

实施例7

一种Si₃N₄-SiC微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法，具体为：按质量百分比亚微米ɑ-Si₃N₄为80％，亚微米ɑ-SiC为15％，微米MgO为5％。所述亚微米ɑ-Si₃N₄粉末粒径0.7μm，亚微米ɑ-SiC粉末粒径0.8μm，微米MgO粉末粒径1.0μm。将配制的混合粉末以无水乙醇为介质进行球磨48h，球料比8:1。加入浓度3％的PVA胶体，再球磨2h。球磨后进行真空干燥，再研磨过100目筛。取2g粉末干压成型，压力150MPa，保压2min，以100MPa/min的速率卸压。将成型试样加入微波炉中，抽真空至0.005MPa，再冲入99.99％纯度的氮气，至0.04MPa。然后开启微波电源进行加热，以40℃/min的速度加热至800℃后，再以20℃/min的速度加热至1700℃，在此温度下保温10min后随炉冷却，最后取出烧制成的陶瓷刀具材料。

测得材料致密度96.6％，维氏硬度：13.8GPa韧性：7.7MPa·m^1/2。

由上可知，本发明的微波烧结工艺的烧结温度低，保温时间短，可大大提高生产效率、降低生产成本；本发明在Si₃N₄基体中加入微波耦合性良好的SiC，实现了Si₃N₄刀具材料的微波烧结，充分展示了微波烧结的优势。