專(zhuān)利名稱(chēng)：一種Al₂O₃-TiC/Al₂O₃-TiC-CaF₂自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷材料，尤其是一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料。
背景技術(shù)：
拉拔模具作為各種金屬線材生產(chǎn)廠家拉制線材的一種非常重要的易消耗性模具。 在拉拔加工過(guò)程中，拉拔模具工作區(qū)和定徑區(qū)連續(xù)與被加工線材接觸，發(fā)生劇烈滑動(dòng)摩擦， 接觸區(qū)處于高溫、高壓狀態(tài)。發(fā)生在拉拔模具上的磨損會(huì)造成拉拔模具損壞而失效，使拉拔加工無(wú)法進(jìn)行；發(fā)生在線材上的劇烈摩擦磨損嚴(yán)重影響到被拉拔線材的尺寸精度和表面質(zhì)量。因此其加工精度、耐用性、耐磨性等指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和成本有著舉足輕重的作用。這就要求拉拔模具材料具有足夠的機(jī)械性能和優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。
目前在實(shí)際的生產(chǎn)加工過(guò)程中，使用的拉拔模具主要有硬質(zhì)合金模、天然金剛石模、聚晶金剛石模、CVD金剛石模等。但是，由于拉拔模具材料的性質(zhì)以及加工成本等的因素，以上幾種模具材料制作的拉拔模具均具有一定的局限性硬質(zhì)合金是由WC和Co經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。拉絲過(guò)程中，金屬鈷容易與被拉線材在某些區(qū)域發(fā)生“微觀熱焊合”產(chǎn)生粘著磨損或者發(fā)生塑性形變，導(dǎo)致模具磨損失效，模具的使用壽命短。此外，硬質(zhì)合金原材料使用大量的稀有金屬，且回收率低，對(duì)我國(guó)自然資源造成了很大的浪費(fèi)。
天然金剛石的脆性較大，抗沖擊性能差，而且硬度具有各向異性，做拉絲模時(shí)易因磨損不均勻而出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象且較難加工，一般用于制造直徑I. 2mm以下的拉絲模。此外，天然金剛石在自然界中存量稀少，價(jià)格昂貴。
聚晶金剛石的晶粒較粗大，拉伸細(xì)絲的表面光潔度無(wú)法和天然金剛石相比，多用于一些光潔度要求不高的生產(chǎn)加工中。而且，聚晶金剛石本身是由金剛石單晶顆粒與粘結(jié)劑燒結(jié)而成，在拉絲過(guò)程中，因溫度變化而產(chǎn)生的熱脹冷縮會(huì)使模具內(nèi)部產(chǎn)生變形，促使模具磨損加快。
CVD涂層拉絲模的制作工藝復(fù)雜，加工困難，成本較高；當(dāng)涂層磨耗后模具將迅速磨損，不僅難以保證加工質(zhì)量，而且不能重復(fù)使用，只能報(bào)廢。
基于以上幾種材料的使用局限性和拉拔模具的使用要求，陶瓷材料所具有的比硬質(zhì)合金高的硬度和耐磨性，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，不易與金屬發(fā)生粘結(jié)，制作成本低廉等優(yōu)點(diǎn)， 成為制作拉拔模具的優(yōu)良材料。但是陶瓷材料的韌性差、在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)高 (O. 8^1. O)等因素限制了其廣泛應(yīng)用。因此急需一種既有足夠硬度又有較低摩擦系數(shù)和磨損率的新型陶瓷材料。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料，其具有足夠的硬度又有較低摩擦系數(shù)和磨損率，用其制造的拉拔模具壽命高，耐磨性好且價(jià)格低廉,拉拔加工的線材表面質(zhì)量好。
本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷材料的制備方法，通過(guò)該方法可制得上述材料。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料，包括按體積比為I: I的 Al2O3-TiC層陶瓷和Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷，其中Al2O3-TiC層陶瓷材料組成成分的體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁40 45%，碳化鈦50 55%，鑰0.5 1%，鎳5 10%，氧化鎂和氧化釔O 5%;Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷材料的組成成分的體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁30 35%，碳化鈦55 60%，氟化鈣10 15%。
上述Al2O3 為 a - Al2O3O
上述氧化鎂與氧化釔的體積比為1:9。
上述Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料，其制作方法包括以下步驟a、將體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁粉40 45%、碳化鈦粉50 55%、鑰粉O.5 1%、鎳粉5 10%以及氧化鎂粉和氧化釔粉(Γ5%混合并磨碎，并且經(jīng)真空干燥和過(guò)篩處理，得到Al2O3-TiC層陶瓷材料粉末，Al2O3-TiC層陶瓷材料粉末平均粒徑O. 4^0. 7 μ m ;b、將體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁粉30 35%、碳化鈦粉55 60%以及氟化鈣粉10 15%進(jìn)行混合并磨碎，并且經(jīng)真空干燥和過(guò)篩處理，得到Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷材料粉末， Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷材料粉末粉末平均粒徑O. 4^0. 7 μ m ;C、將上述步驟a和步驟b中得帶的粉末按照體積比1:1的比例放入石墨模具中進(jìn)行復(fù)合疊層；d、將疊層好的粉末材料進(jìn)行預(yù)壓，得到冷壓成型的試塊；e、將上述冷壓成型的試塊進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)成型。
上述步驟a和步驟b中的原料投入球磨機(jī)中,球磨的工藝參數(shù)為球磨機(jī)轉(zhuǎn)速300 400r/min，球磨介質(zhì)為Al2O3球，球料的體積比為10 :1，球磨介質(zhì)為酒精。
上述步驟a中球磨機(jī)溫度為室溫，球磨時(shí)間為72小時(shí)；真空干燥箱中真空度設(shè)定為1.0父10-1 1.0父10^0^，溫度為80 100°C ;篩網(wǎng)為100 200目。
上述步驟b中球磨機(jī)溫度為室溫，球磨時(shí)間為72小時(shí)；真空干燥箱真空度設(shè)定為 L0Xl(n L0Xl(T2MPaJj§L S80 100。。;篩網(wǎng)為 100 200 目。
上述步驟d中，預(yù)壓壓力為5 10 Mpa。
上述步驟e中，真空度為I. OX 1(Γ3 5. OX l(T3MPa，溫度為1700 1750°C，壓力30 35MPa，保溫時(shí)間為10 15分鐘。
由于本發(fā)明的材料為Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2疊層陶瓷材料，Al2O3-TiC陶瓷材料和Al2O3-TiC-CaF2陶瓷材料具有穩(wěn)定的化學(xué)特性和良好的物理相容性，同時(shí)疊層材料具有較高的硬度、耐磨性和自潤(rùn)滑特性符合本發(fā)明材料的要求。
在已知的陶瓷原料中，TiC的物理機(jī)械性能十分優(yōu)越，硬度為30GPa，僅次于B4C,是一種高硬度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性、耐高溫陶瓷材料。Al2O3陶瓷原料為離子鍵化合物，Al2O3陶瓷與其它陶瓷原料的相容性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，硬度為21GPa，在陶瓷原料中硬度適中，但是也遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金，并且Al2O3是最經(jīng)常使用的陶瓷原料之一。 TiC和Al2O3有相近的熱膨脹系數(shù)，在燒結(jié)過(guò)程中不易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和微裂紋。因此，將TiC 和Al2O3充分混合，同時(shí)添加少量金屬元素鑰粉和鎳粉作為粘結(jié)相燒結(jié)以后，材料基體結(jié)構(gòu)致密，硬度較高且具有一定的強(qiáng)度和韌性。Al2O3-TiC-CaF2陶瓷材料中的CaF2是一種高溫固體潤(rùn)滑劑，能夠在室溫 1000°C范圍能仍具有較好的潤(rùn)滑效果。在陶瓷材料基體中加入 CaF2,在不影響機(jī)械性能的基礎(chǔ)上使得Al2O3-TiC陶瓷材料具有自潤(rùn)滑特性，提高了了材料的耐磨性。
此外，為了更有效地增韌陶瓷材料，利用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，將具有高強(qiáng)度和高硬度的Al2O3-TiC陶瓷材料和具有自潤(rùn)滑特性的Al2O3-TiC-CaF2陶瓷材料進(jìn)行分層疊加，研究出Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷材料，材料整體具有較高的強(qiáng)度、硬度、韌性和自潤(rùn)滑特性。
本發(fā)明材料的制備工藝中，混合粉末在球磨過(guò)程中在磨球高速碰撞的作用下，顆粒粒度變小，大小更加均勻。同時(shí)，在碰撞應(yīng)力的作用下，鑰粉和鎳粉顆粒與Al2O3粉末和 TiC粉末相互冷焊在一起，形成有一定原子結(jié)合力的復(fù)合顆粒，這些顆粒在經(jīng)冷壓和真空熱壓燒結(jié)成型后能夠使得陶瓷顆粒間獲得網(wǎng)狀的空間結(jié)構(gòu)，使得材料具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。
由上述敘述可知，本發(fā)明的有益效果是將Al2O3-TiC陶瓷材料和Al2O3-TiC-CaF2 陶瓷材料進(jìn)行復(fù)合疊層后，材料整體在保持有較高硬度和強(qiáng)度和同時(shí)，克服了疊層材料各方向抗彎強(qiáng)度差別大的問(wèn)題，減磨抗磨作用明顯。Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷材料的使用解決了普通陶瓷材料在拉拔模具制造方面的弱點(diǎn)，使得陶瓷拉拔模具的更好的適應(yīng)現(xiàn)代拉拔加工需要。
具體實(shí)施方式
下面以非限定性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明本發(fā)明的Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷材料采用前期高能球磨法制備和后期真空熱壓燒結(jié)法制備的兩步工藝。
其前期高能球磨法制備工藝為Al2O3粉末采用a -Al2O3，純度大于99. 9%，平均粒徑小于O. 5 μ m，密度為3. 97g/cm3 ；TiC 粉末由株洲硬質(zhì)合金廠提供，純度大于99. 8%，平均粒徑小于O. 5 μ m，密度為4. 93g/cm3 ； CaF2粉末純度大于98%，平均粒徑小于O. 5 μ m，密度為3. 18g/cm3。
Al2O3-TiC 層陶瓷材料組成成分按體積比為 Al2O3 45%,TiC 50%、Mo O. 5%,Ni 4.5% 并加入Mg0、Y203 1%作為助燒劑。將所有原料放入球磨筒中，在酒精介質(zhì)下進(jìn)行充分混合， 球磨時(shí)間為72h?；旌虾蟮姆勰┰谡婵崭稍锵渲懈稍铩⒏稍锿耆姆勰┯?00目篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)篩得到Al2O3-TiC陶瓷粉末，Al2O3-TiC陶瓷粉末的平均粒徑為O. 4 μ m。
Al2O3-TiC-CaF2 陶瓷材料按照 Al2O3 30%、TiC 55%、CaF2 15% 的比例混合。將三種原料放入球磨筒中，在酒精介質(zhì)下進(jìn)行充分混合，球磨時(shí)間為72h?；旌虾蟮姆勰┰谡婵崭稍锵渲懈稍?，將干燥完全的粉末用200目篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)篩。
其球磨工藝參數(shù)為球磨機(jī)為變頻式行星球磨機(jī),轉(zhuǎn)速400 r/min。選用尼龍球磨罐,Al2O3球和酒精為球磨介質(zhì),球徑分別為10 mm、5 mm、3 mm,球料的體積比為10 :1。球磨在室溫下進(jìn)行。
其干燥工藝參數(shù)為干燥箱真空度為O. 05MPa，溫度設(shè)定為100°C，干燥24小時(shí)。
后期真空熱壓燒結(jié)法制備工藝為將球磨過(guò)篩后的粉末，按體積比I: I的比例放入石墨模具中，每層厚度為1mm，共30層。 將疊層后的粉末材料在成型機(jī)上以5MPa的壓力進(jìn)行預(yù)壓。將預(yù)壓完成粉末連同石墨模具一起放入真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，最終制成高為30mm，直徑為Φ30的圓柱體。
其工藝參數(shù)如下模具尺寸Φ 120X90，真空度I. O X ICT3MPa,加熱溫度1750°C， 30MPa下保溫10分鐘，隨爐冷卻。
本發(fā)明中的球磨工藝中，混合粉末在球磨過(guò)程中在磨球高速碰撞的作用下，使原料粉末顆粒均勻且充分混合，冷壓成型的目的是為了增加材料的致密度，減少空隙率。真空熱壓燒結(jié)成型的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)致密，能提高材料的工藝性能和機(jī)械性能，其性能參數(shù)見(jiàn)表2.實(shí)施例2與實(shí)施例I基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見(jiàn)表I，性能參數(shù)見(jiàn)表2。
實(shí)施例3與實(shí)施例I基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見(jiàn)表I，性能參數(shù)見(jiàn)表2。
實(shí)施例4與實(shí)施例I基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見(jiàn)表I，性能參數(shù)見(jiàn)表2。
實(shí)施例5與實(shí)施例I基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見(jiàn)表I，性能參數(shù)見(jiàn)表2。
實(shí)施例6與實(shí)施例I基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見(jiàn)表I，性能參數(shù)見(jiàn)表2。
權(quán)利要求
1.一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料，包括體積比為I: I的 Al2O3-TiC層陶瓷和Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷，其中Al2O3-TiC層陶瓷材料組成成分的體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁40 45%，碳化鈦50 55%，鑰O.5 1%，鎳5 10%，氧化鎂和氧化釔0 5% ；Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷材料的組成成分的體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁30 35%，碳化鈦 55 60%，氟化鈣10 15%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料，其特征在于所述Al2O3為α- ΑΙΑ。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料，其特征在于所述氧化鎂與氧化釔的體積比為1:9。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料，其制作方法包括以下步驟a、將體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁粉40 45%、碳化鈦粉50 55%、鑰粉O.5 1%、鎳粉5 10%以及氧化鎂粉和氧化釔粉(Γ5%混合并磨碎，并且經(jīng)真空干燥和過(guò)篩處理，得到Al2O3-TiC層陶瓷材料粉末，Al2O3-TiC層陶瓷材料粉末平均粒徑O. 4^0. 7 μ m ;b、將體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁粉30 35%、碳化鈦粉55 60%以及氟化鈣粉10 15%進(jìn)行混合并磨碎，并且經(jīng)真空干燥和過(guò)篩處理，得到Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷材料粉末， Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷材料粉末粉末平均粒徑O. 4^0. 7 μ m ;C、將上述步驟a和步驟b中得帶的粉末按照體積比1:1的比例放入石墨模具中進(jìn)行復(fù)合疊層；d、將疊層好的粉末材料進(jìn)行預(yù)壓，得到冷壓成型的試塊；e、將上述冷壓成型的試塊進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)成型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料的制備方法，其特征在于所述步驟a和步驟b中的原料投入球磨機(jī)中磨碎，其球磨的工藝參數(shù)為球磨機(jī)轉(zhuǎn)速30(T400r/min，球磨介質(zhì)為Al2O3球，球料的體積比為10 :1，球磨介質(zhì)為酒精。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料的制備方法，其特征在于所述步驟a中球磨機(jī)溫度為室溫，球磨時(shí)間為72小時(shí)；真空干燥箱中真空度設(shè)定為1.0X10—1 1.0父10-21^，溫度為80 1001;篩網(wǎng)為100 200目。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料的制備方法，其特征在于所述步驟b中球磨機(jī)溫度為室溫，球磨時(shí)間為72小時(shí)；真空干燥箱真空度設(shè)定為1.0X10—1 1.0父10-21^，溫度為80 1001;篩網(wǎng)為100 200目。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料的制備方法，其特征在于所述步驟d中，預(yù)壓壓力為5 10 Mpa0
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種Al203-TiC/Al203-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料的制備方法，其特征在于所述步驟e中，真空度為1.0X10_3 5.0X10_3MPa，溫度為 170(Tl750°C，壓力30 35MPa，保溫時(shí)間為10 15分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷材料，尤其是一種Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷拉拔模具材料。包括按體積比為1:1的Al2O3-TiC層陶瓷和Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷，其中Al2O3-TiC層陶瓷材料組成成分的體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁40~45%，碳化鈦50~55%，鉬0.5~1%，鎳5~10%，氧化鎂和氧化釔0~5%；Al2O3-TiC-CaF2層陶瓷材料的組成成分的體積百分?jǐn)?shù)為氧化鋁30~35%,碳化鈦55~60%，氟化鈣10~15%。本發(fā)明的有益效果是將Al2O3-TiC陶瓷材料和Al2O3-TiC-CaF2陶瓷材料進(jìn)行復(fù)合疊層后，材料整體在保持有較高硬度和強(qiáng)度和同時(shí)，克服了疊層材料各方向抗彎強(qiáng)度差別大的問(wèn)題，減磨抗磨作用明顯。Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自潤(rùn)滑疊層陶瓷材料的使用解決了普通陶瓷材料在拉拔模具制造方面的弱點(diǎn)，使得陶瓷拉拔模具的更好的適應(yīng)現(xiàn)代拉拔加工需要。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102936137SQ20121039685
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月18日
發(fā)明者楊學(xué)鋒, 宋培龍, 王守仁, 王硯軍, 楊麗穎, 孫賓, 喬陽(yáng) 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)