Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具及其制备工艺，属于机械切削刀具制造技术领域。本发明专利技术所制备的陶瓷刀具由Al2O3、TiC、VN组成，具有梯度分层结构，层数为五层，VN含量由内层向外层逐渐增加，在刀具前刀面加工有微织构。本发明专利技术利用VN在切削过程中产生的切削热发生高温摩擦化学反应，生成具有自润滑功能的V的氧化物；刀具前刀面加工的沟槽型的微米织构可以捕捉磨屑，减少磨粒磨损，存储VN的高温氧化产物，提高刀具的自润滑性能。本发明专利技术所制备的陶瓷刀具，具有较高的硬度，较高的强度，在高温切削加工中使用时具有较低的摩擦系数，可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

Al2O3/TiC/VN Self-adaptive Texture Gradient Ceramic Tool and Its Fabrication Technology

The invention discloses an Al2O3/TiC/VN self-adapting texture gradient ceramic tool and its preparation process, which belongs to the field of mechanical cutting tool manufacturing technology. The ceramic tool prepared by the invention consists of Al2O3, TiC and VN, and has gradient layered structure with five layers. The content of VN gradually increases from inner layer to outer layer, and micro-texture is machined on the rake face of the tool. The invention utilizes the cutting heat generated by VN in the cutting process to produce high temperature tribochemical reaction to produce V oxides with self-lubricating function; the groove-shaped micro texture of the tool rake face can capture debris, reduce abrasive wear, store high temperature oxidation products of VN, and improve the self-lubricating performance of the tool. The ceramic cutting tool prepared by the invention has high hardness, high strength and low friction coefficient when used in high-temperature cutting, and can be widely used in dry cutting and cutting of difficult-to-machine materials.

【技术实现步骤摘要】
Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具及其制备工艺
本专利技术属于机械切削刀具制造
，特别是指一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具及其制备工艺。
技术介绍
随着人们环保意识的提高，人们逐渐认识到切削液的使用不仅污染环境，增加生产成本，并对工人健康带来伤害。因此，使用干切削加工技术便可以避免使用切削液带来的危害。但是，由于干切削加工过程中没有了切削液的冷却及润滑，对刀具有了高硬度、高耐磨性、低摩擦系数等更高的要求。Al2O3基陶瓷刀具具有高硬度、高耐磨性和良好的抗氧化性，可广泛应用于难加工材料的切削加工。TiC基金属陶瓷刀具在高温条件下具有良好的机械性能，密度小，但是韧性较低。通过在Al2O3基陶瓷刀具中加入TiC第二相粒子，可以通过弥散增韧机理提高Al2O3基陶瓷刀具的韧性，从而更适用于难加工材料的切削加工。将刀具设计成梯度结构，可以改善刀具的内应力状态，从而提高刀具的机械性能。VN在高温条件下可以与环境空气中的氧气反应生成一系列具有自润滑作用的V的氧化物，且随着温度的升高，可生成V2O5，当温度超过685℃时，V2O5开始融化，变成液态相，在VN表面生成一层含有V2O5等V的氧化物的釉质层，从而使VN表面具有较低的摩擦系数。在摩擦表面加工出具有一定形貌的织构形貌，可以捕捉磨粒磨损产生的磨屑，存储润滑剂，减小接触面积，从而减小摩擦副间的摩擦系数，改善摩擦副间的摩擦条件。激光加工由于加工效率高，不需要对工件进行固定装夹，没有刀具的损耗，加工精度高，因此被广泛应用于织构加工中。中国专利(申请号：201010220319.7)公开了一种梯度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法，该专利技术中的刀具材料具有对称梯度层次结构，所使用的刀具材料为Si3N4、Al2O3、AlN、TiCN、Y2O3，所专利技术的梯度纳米复合陶瓷刀具具有良好的力学性能；中国专利(申请号：201010215916.0)公开了一种硼化锆-碳化钨钛自润滑复合陶瓷材料，通过硼化锆在高温摩擦作用下生成具有自润滑作用的B2O3氧化产物实现复合材料的自润滑功能；中国专利(申请号：201210447210.6)公开了一种微纳复合织构自润滑陶瓷刀具及其制备工艺，采用激光加工技术在前刀面加工微米级织构，在负倒棱上加工出纳米级织构，并分别在微米级织构与纳米级织构中填充固体润滑剂，通过微纳复合织构与固体润滑剂的双重作用实现刀具的自润滑。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具及其制备工艺，该陶瓷刀具不仅能改善刀具内应力分布，提高刀具机械性能，而且具有优良的自润滑和抗磨损性能；同时本专利技术的制备工艺操作简单，具有极大的工业化潜力。为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：一方面，本专利技术提供一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具，所制备的Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具由Al2O3、TiC、VN组成，具有梯度分层结构，层数为五层，VN含量由内层向外层逐渐增加，每层的组分分别如下，第一层和第五层的组分为：Al2O3含量为30-65wt.％，TiC含量为30-65wt.％，VN含量为10-30wt.％；第二层和第四层的组分为：Al2O3含量为35-60wt.％，TiC含量为35-60wt.％，VN含量为5-10wt.％；第三层的组分为：Al2O3含量为40-60wt.％，TiC含量为40-60wt.％；在刀具前刀面加工有微织构。另一方面，本专利技术还提供上述Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具的制备工艺，包括如下步骤：(1)配料：Al2O3粉末粒度为0.5-1.0μm，TiC粉末粒度为0.5-1.0μm，VN粉末粒度为0.5-1.0μm，将Al2O3、TiC、VN三种粉末按一定比例配置混合粉末，混合粉末的比例如下：第一层和第五层的组分为：Al2O3含量为30-65wt.％，TiC含量为30-65wt.％，VN含量为10-30wt.％；第二层和第四层的组分为：Al2O3含量为35-60wt.％，TiC含量为35-60wt.％，VN含量为5-10wt.％；第三层的组分为：Al2O3含量为40-60wt.％，TiC含量为40-60wt.％；将配置好的混合粉末分别装入球磨机进行球磨，以无水乙醇作为介质，使用Al2O3陶瓷球球磨48h，真空干燥后用100目筛过筛备用；(2)装料及烧结：将制备好的混合粉末采用分层铺填的方式装入高强度石墨模具中，分层铺填的顺序为第五层、第四层、第三层、第二层、第一层，使VN的含量从内向外逐渐升高，在真空环境下进行热压烧结，烧结温度范围为1700-1800℃，烧结压力为30-40MPa，保温时间为30-60min；(3)激光加工微织构：采用纳秒激光在烧结好的陶瓷刀具前刀面加工出沟槽形貌的微织构，织构沟槽方向平行于主切削刃，织构宽度为30-50μm，织构深度为30-50μm，织构间距为50-400μm，织构边缘距主切削刃的距离为40-100μm。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具及其制备工艺，该陶瓷刀具不仅具备梯度分层结构，改善刀具内应力分布，提高刀具机械性能，而且在刀具内部加入了具有在高温条件下与空气中的氧气反应的VN，从而生成具有自润滑功能的V的氧化物；在刀具前刀面加工的沟槽型微织构不仅可以捕捉磨屑，减少刀具表面的磨粒磨损，提高刀具表面的抗磨损性能，而且可以存储VN在高温摩擦中生成的具有自润滑作用的V的氧化物，减少了VN氧化产物的流失，增加了VN氧化产物在刀具表面的停留时间，从而提高了刀具的自润滑性能；同时本专利技术的制备工艺操作简单，具有极大的工业化潜力。附图说明图1为本专利技术的Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具结构示意图；其中，1为刀具前刀面，2为微织构，3为Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具的第一层，4为Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具的第二层，5为Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具的第三层，6为Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具的第四层，7为Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具的第五层。具体实施方式本专利技术提供了一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具及其制备工艺，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具，所制备的Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具由Al2O3、TiC、VN组成，具有梯度分层结构，层数为五层，VN含量由内层向外层逐渐增加，每层的组分分别如下，第一层和第五层的组分为：Al2O3含量为36wt.％，TiC含量为44wt.％，VN含量为20wt.％；第二层和第四层的组分为：Al2O3含量为40.5wt.％，TiC含量为49.5wt.％，VN含量为10wt.％；第三层的组分为：Al2O3含量为45wt.％，TiC含量为55wt.％；在刀具前刀面加工有微织构；一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具的制备工艺，包括配料、装料及烧结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具，其特征在于：所制备的Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具由Al2O3、TiC、VN组成，具有梯度分层结构，层数为五层，VN含量由内层向外层逐渐增加，每层的组分分别如下，第一层和第五层的组分为：Al2O3含量为30‑65wt.％，TiC含量为30‑65wt.％，VN含量为10‑30wt.％；第二层和第四层的组分为：Al2O3含量为35‑60wt.％，TiC含量为35‑60wt.％，VN含量为5‑10wt.％；第三层的组分为：Al2O3含量为40‑60wt.％，TiC含量为40‑60wt.％；在刀具前刀面加工有微织构。

【技术特征摘要】
1.一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具，其特征在于：所制备的Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具由Al2O3、TiC、VN组成，具有梯度分层结构，层数为五层，VN含量由内层向外层逐渐增加，每层的组分分别如下，第一层和第五层的组分为：Al2O3含量为30-65wt.％，TiC含量为30-65wt.％，VN含量为10-30wt.％；第二层和第四层的组分为：Al2O3含量为35-60wt.％，TiC含量为35-60wt.％，VN含量为5-10wt.％；第三层的组分为：Al2O3含量为40-60wt.％，TiC含量为40-60wt.％；在刀具前刀面加工有微织构。2.一种Al2O3/TiC/VN自适应织构梯度陶瓷刀具的制备工艺，其特征在于：制备工艺包括配料、装料及烧结、激光加工微织构，其具体制备工艺步骤如下：(1)配料：Al2O3粉末粒度为0.5-1.0μm，TiC粉末粒度为0.5-1.0μm，VN粉末粒度为0.5-1.0μm，将Al2O3、TiC、VN三种粉末按一定比例配置混合粉末，混合粉末的比例如下：第一层和第五层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟荣，邓建新，刘亚运，段冉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37