粉末表面涂层陶瓷的硬质合金刀具材料

1引言

陶瓷刀具以其卓越的高温性能、硬度及耐磨性得到了人们的普遍重视。但是,陶瓷材料的强度和韧性低,在许多加工条件下易于因破损而失效,这大大限制了它的应用范围,尤其是在自动加工领域,陶瓷刀具由于可靠性太差,很少在自动化加工设备中使用,尽管陶瓷材料可以通过一些增韧和补强的方法如颗粒增韧、相变增韧和晶须增韧等来提高其强度和断裂韧性,但提高的幅度十分有限。七十年代出现了陶瓷涂层刀具,它结合了陶瓷材料和硬质合金材料的优点,在拥有与硬质合金材料相近的强韧性能的同时,耐磨性大大提高,能达到未加涂层刀具的几倍到十几倍,并且使加工效率显著提高,从而成为刀具材料的一个重要研究方向,在现代制造业尤其是在自动化加工中得到了广泛应用和迅速的发展。

目前刀具的涂层方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主,这两种方法在生产实践中己日渐成熟,但仍存在一些问题,比较突出的是目前应用的涂层刀具只是刀片表面涂层,而且涂层与基体间的界面结合强度低,涂层易剥落,这样就使涂层不可能做得太厚,因此在使用中涂层的使用寿命不会太长,一旦涂层被磨掉,刀具就会迅速磨损,这种情况使进一步提高涂层刀具寿命变得十分困难,另外涂层刀片基本上不具备重磨性,这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。

本研究提出了在硬质合金粉末表面涂层Al₂O₃陶瓷制备刀具材料的新方法,成功地将溶胶—凝胶法引人刀具材料的制备过程。溶胶—凝胶法作为一种湿化学合成方法,具有设备简单、工艺易于控制、制品纯度和均匀度高等优点,近几年被广泛用于制作超导材料、光电材料、铁电材料、光导纤维,光盘介质、纳米级陶瓷粉末及陶瓷薄膜、晶须和各种复合材料。由于溶胶中胶粒尺寸很小(纳米级),具有很大的比表面能和强烈的吸附趋势,有可能形成结构致密、与基体结合牢固的陶瓷涂层。这种方法变传统的宏观涂层为微观涂层,突破了原有的刀具涂层的局限,是对探索制作涂层刀具新方法的一种有益尝试。

2实验

选取异丙醇铝[Al(C3H7O)₃](北京化学试剂总厂,分析纯)为前驱物。以去离子水(自制)作为溶剂,用硝酸[HNO3](山东省化工研究院)作为胶溶剂,将上述原料按Al(C3H7O)₃:H₂):HNO₃=1:(60～300):(0.07～0.88)的比例混合均匀,水浴恒温85℃,并施以强力搅拌,48h后即获得均一稳定的勃姆石溶胶。

选用含有WC和TiC的硬质合金粉末作为基体材料．首先将基体粉末球磨100h,再将球磨过的粉末在丙酮中进行超声波清洗,然后在稀酸中浸泡处理,处理后的粉末用去离子水清洗干净,加入到乙醇和水的混合溶液中,并施以强力搅拌和超声波振荡,令其分散均匀；此时加入勃姆石溶胶,保持搅拌,使粉末表面均匀地涂覆上一层胶体；然后静置一段时间,待分层后,经抽滤、干燥得到涂层粉末,将涂层粉末在900～1200℃的温度下进行预烧结,以使涂层充分转化为Al₂O₃陶瓷。

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