一种逐层嵌套梯度功能陶瓷刀具及其制备方法

摘要

本发明公开了一种逐层嵌套梯度功能陶瓷刀具及其制备方法。该梯度功能陶瓷刀具至少包括三层AlMgB14和TiB2两种材料的复合物，各层复合物由里向外逐层分布，每一层中两种材料的质量比均不同，由芯部层至表层AlMgB14的含量逐渐增加，刀具的前刀面、主后刀面和副后刀面均是芯部层的AlMgB14含量最低，而表层的AlMgB14含量最高。制备方法是：配制至少三种不同质量比的AlMgB14和TiB2的复合粉，然后将每种复合粉进行真空干燥和过筛，按照AlMgB14的含量从低到高的顺序在石墨模具中进行粉末由里向外的逐层铺展及预压；最后采用真空热压烧结。本发明采用逐层嵌套结构，增强了陶瓷刀具的各项力学性能指标，刀具寿命比传统结构梯度功能陶瓷刀具提高20～30％。

权利要求

1.一种逐层嵌套梯度功能陶瓷刀具，至少包括三层AlMgB14和TiB2两种材料的复合物，其特征是：各层复合物由里向外逐层分布，每一层中两种材料的质量比均不同，由芯部层至表层AlMgB14的含量逐渐增加，刀具的前刀面、主后刀面和副后刀面均是芯部层的AlMgB14含量最低，而表层的AlMgB14含量最高。

2.根据权利要求1所述的逐层嵌套梯度功能陶瓷刀具，其特征是：所述每层的层厚和复合粉质量根据待加工工件的材料和加工工艺优化确定。

3.一种权利要求1所述逐层嵌套梯度功能陶瓷刀具的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

首先采用湿法工艺分散混料，配制至少三种不同质量比的AlMgB14和TiB2的复合粉，然后将每种复合粉进行真空干燥和过180目筛，按照AlMgB14的含量从低到高的顺序在石墨模具中进行粉末由里向外的逐层铺展及预压；最后采用真空热压烧结。

4.根据权利要求3所述逐层嵌套梯度功能陶瓷刀具的制备方法，其特征是：所述真空热压烧结的热压烧结压力为100Mpa-110Mpa、烧结温度范围为1400℃～1500℃、保温时间为60分钟。

说明书

技术领域

本发明涉及一种梯度功能陶瓷刀具及其制备方法，属于陶瓷刀具材料技术领域，

背景技术

AlMgB14是一种新型超硬耐磨硼化物，具有高硬度、低摩擦系数的特点，以其为基体制备的陶瓷刀具具有高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性等优点，较适合于加工钛合金，然而其本身的脆性限制了其应用范围，而且其强度也较低。国内外研究人员和刀具生产厂家一般采用向AlMgB14基体中添加增韧强化相的方法提高其力学性能，如添加AlN、TiC、TiB2等，其中添加TiB2的增韧补强效果最好。然而这些增韧强化方法的效果是有限度的，仍不能满足高效切削加工难加工材料如钛合金等的要求。梯度功能材料是二十世纪八十年代中后期发展起来的一种组分和性能均连续变化的新型复合材料，具有优异的隔热、防热和缓和热应力的功能。二十一世纪初，梯度功能陶瓷应用在切削刀具中，使得刀具具有内韧外硬的特性。然而，目前的梯度功能陶瓷刀具如图1所示，为三明治式结构，三层或者更多层叠加在一起，这种结构存在以下缺点：在切削的时候，刀尖处只有沿前刀面向下为梯度功能结构，而沿主后刀面和副后刀面向刀具芯部则不具备梯度功能结构，使得由前刀面、主后刀面和副后刀面构成的刀尖处仍易产生崩刃。

发明内容

本发明针对现有三明治式结构的梯度功能陶瓷刀具存在的易产生崩刃等不足，提供一种可靠性更高、抗磨损、抗破损、不易崩刃的梯度功能陶瓷刀具，同时提供一种该梯度功能陶瓷刀具的制备方法。
本发明的逐层嵌套梯度功能陶瓷刀具采用以下技术方案：
该梯度功能陶瓷刀具至少包括三层AlMgB14和TiB2两种材料的复合物，各层复合物由里向外逐层分布，每一层中两种材料的质量比均不同，由芯部层至表层的各个方向上AlMgB14的含量逐渐增加，刀具的前刀面、主后刀面和副后刀面均是芯部层的AlMgB14含量最低，而表层的AlMgB14含量最高。
上述逐层嵌套梯度功能陶瓷刀具的制备方法，包括以下步骤：
首先采用湿法工艺分散混料，配制至少三种不同质量比的AlMgB14和TiB2的复合粉，然后将每种复合粉进行真空干燥和过180目筛，按照AlMgB14的含量从低到高的顺序在石墨模具中进行粉末由里向外的逐层铺展(每层的层厚和复合粉质量根据待加工工件的材料和加工工艺优化确定)及预压；最后采用真空热压烧结。
真空热压烧结的热压烧结压力为100Mpa～110Mpa、烧结温度范围为1400℃～1500℃、保温时间为60分钟。
本发明由于采用三层以上由里向外逐层分布的嵌套结构，使刀具的前刀面、主后刀面和副后刀面结构和材料含量一致，沿刀尖到刀具芯部各方向均为梯度结构，增强了陶瓷刀具的各项力学性能指标，使表面平均硬度达到36Gpa左右，断裂韧度达到左右，均高于相同材料体系的普通陶瓷刀具材料和传统三明治式结构的梯度功能陶瓷刀具，适于加工钛合金Ti-6Al-4V，尤其是在高速切削条件下，刀具寿命比传统结构梯度功能陶瓷刀具提高20～30％，而成本与其相当；比硬质合金刀具的生产效率提高80～120％，表面质量提高一个等级。

附图说明

图1是现有三明治式结构的梯度功能陶瓷刀具的结构示意图。
图2是本发明制备的方形(包含菱形)梯度功能陶瓷刀具的结构示意图。
图3是本发明制备的圆柱形梯度功能陶瓷刀具的结构示意图。

具体实施方式

下面以制备三层结构的用于高速切削加工钛合金材料的梯度功能陶瓷刀具的方法对本发明作详细说明。该用于切削加工钛合金材料的三层结构梯度功能陶瓷刀具的制备方法包括以下步骤：
(1)采用湿法工艺混料，将AlMgB14和TiB2两种材料配制三种不同混合比的复合粉，AlMgB14和TiB2的质量百分比分别为60∶40、65∶35和70∶30，这三种复合粉的编号分别为A、B、C，然后真空干燥、过180目筛。
(2)按质量百分比36.4∶26.5∶37.1分别称取复合粉A、B、C。
(3)将称取的复合粉按A、B、C顺序在石墨模具中进行粉末的叠层填充(由刀具芯部逐层沿前刀面、主后刀面和副后刀面向外填充)并预压。可以制成图2所示的方形(包含菱形)刀具(材料成分由里向外沿各向梯度分布)，也可制成图3所示的圆柱形刀具(各层成分由里向外沿轴向和径向梯度分布)。
(4)在1400℃～1500℃的烧结温度及107MPa压力下进行热压烧结，并进行真空保护，保温60分钟，然后随炉冷却。得到的刀具呈轴向和径向多层结构，各种成分呈由下到上，由里到外过渡，AlMgB14含量同时从底层到表层、从内层到外层逐层增加，中心位置的AlMgB14含量最低，而表面的AlMgB14含量最高。
按照上述方法也可得到更多层由里向外嵌套结构的梯度功能陶瓷刀具，或者是制成上下及径向都对称结构的梯度功能陶瓷刀具。