一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法及氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法.pdf

本发明涉及陶瓷制备技术领域，具体为一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法及氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法。本发明通过添加一定量由MO和稀土氧化物组成的烧结助剂，可有效优化氮化硅基导电陶瓷的微观结构，从而显著提高氮化硅基导电陶瓷的韧性和强度。而添加一定量的导电相，不仅有助于提高氮化硅基导电陶瓷的导电率，可实现使用电火花加工技术加工氮化硅基导电陶瓷，并使应用该种氮化硅基导电陶瓷制作的陶瓷刀具适宜PVD涂层工艺，此外还起到增韧补强的作用。添加一定量的金属相粘结剂，有助于提高氮化硅基导电陶瓷的综合性能。使用本发明所述的氮化硅基导电陶瓷和成型方法制作刀具，可制备出形状复杂的刀具，并可获得性能更优异的氮化硅陶瓷刀具。

权利要求书
1.  一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将50-88％vol的Si3N4粉、10-45％vol的导电相、0-5％vol的粘结剂、 2-5％vol的烧结助剂混合到一起，得混合原料；
所述烧结助剂由MO和稀土氧化物组成，所述MO为MgO、Al2O3、CaO 和SiO2中的至少一种；
S2、将混合原料分散于有机溶剂中，得混合浆料，然后将混合浆料烘干 并过50-200目筛，得混合粉料；
S3、将混合粉料置于模具中，并在惰性气体或氮气或真空下，及 1500-1900℃下保温0.5-3h，制得氮化硅基导电陶瓷。

2.  根据权利要求1所述一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法，其特征 在于，所述导电相为TiN、TiC、TiC1-xNx、MoSi2、TiB2、ZrB2、碳纤维、石 墨烯、碳纳米管中的任一种；所述x为0.3-0.7。

3.  根据权利要求1所述一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法，其特征 在于，所述粘结剂为Co、Mo、Ni、W、Ta和Ti中的至少一种。

4.  根据权利要求1-3任一项所述一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法， 其特征在于，步骤2中，混合原料与有机溶剂混合后，首先球磨4-48h，然 后超声分散3-5min，得混合浆料。

5.  根据权利要求4所述一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法，其特征 在于，步骤2中，将混合浆料置于60-80℃下蒸发除去大部分有机溶剂，然 后在60-100℃下将混合浆料烘干并过50-200目筛，得混合粉料。

6.  根据权利要求5所述一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法，其特征 在于，步骤2中，所述混合浆料中固相的体积百分比为35-45％。

7.  根据权利要求6所述一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法，其特征 在于，步骤S3中，先以15℃/min的升温速度使温度由室温升至1350-1500℃ 并保温1h，然后以5℃/min的升温速度继续升温至1500-1825℃并保温2h。

8.  一种氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法，其特征在于，包括以 下步骤：
S1、采用电火花加工技术对权利要求1所述的氮化硅基导电陶瓷进 行粗加工，得刀具坯体；
S2、用金刚石砂轮和/或立方氮化硼砂轮对刀具坯体进行精加工， 得氮化硅基导电陶瓷刀具。

9.  根据权利要求8所述一种氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法，其 特征在于，步骤S1中，采用电火花加工技术对氮化硅基导电陶瓷进行粗 加工的加工参数为：脉冲电压80-150V，加工宽度5-100μs，脉冲间隔 10-125μs，加工电流0.5-30A，加工速度0.25-10mm/min。

10.  根据权利要求9所述一种氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法， 其特征在于，步骤S1中，粗加工的加工余量为0.25-1mm。

说明书一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法及氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法
技术领域
本发明涉及陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种氮化硅基导电陶瓷的制 备方法及氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法。
背景技术
氮化硅陶瓷作为非氧化物绝缘工程陶瓷，具有耐磨、耐蚀、耐高温、抗 氧化性、抗热冲击及低比重等优异性能，上世纪80年代初期由通用公司首 先将氮化硅陶瓷试用于切削加工用刀具领域，它的出现使得刀具材料在耐高 温和硬度方面有着惊人的提高，使得很多加工温度极高、耗费刀具的工件材 料的加工变得容易，是加工领域的一次很大的突破。目前氮化硅基陶瓷刀具 主要有纯Si3N4陶瓷刀具、复合Si3N4陶瓷刀具、塞隆陶瓷刀具(Sialon)、纳 米增韧Si3N4陶瓷刀具、晶须增韧Si3N4陶瓷刀具这几种。氮化硅陶瓷刀具的 成型加工方法主要有以下两种：一是采用金刚石砂轮磨削方法对烧结好的氮 化硅陶瓷进行简单型面加工，切削力大、消耗能量多、加工成本高、效率低； 二是采用浇铸或者等静压成型等方式，将粉体先成型为氮化硅刀具胚体，然 后放入高温炉子里进行烧结，出炉后对其进行平磨、研磨、倒棱角和刃磨等 精加工。对于上述的两种加工方法，第一种加工方法限制了复杂形状氮化硅 刀具的成型，加工成本较高，但不限制氮化硅基刀具材料的烧结制备工艺， 氮化硅基刀具材料可以通过热压或者热等静压的烧结方式制备出性能更加 优异的氮化硅基刀具。第二种加工方法虽然可制备出复杂形状的刀具，但对 材料的制备工艺提出了一定的要求，只能进行气氛烧结或者气压烧结，材料 性能会受到一定的限制。
另一方面，近几十年，涂层刀具的成功推广使用，使得人们对刀具涂层 技术的研究越加重视，并使得刀具涂层技术有了长足的发展。而随着陶瓷刀 具在难加工材料等领域崭露头角，近十几年，各刀具公司和研究机构对将刀 具涂层技术应用于陶瓷刀具的巨大前景非常感兴趣，并做了很多研究，但目 前主要还是应用在硬质合金刀具上，可显著提高刀具的切削寿命。尽管在21 世纪初有人尝试用PVD工艺在氮化硅陶瓷上制备涂层，但是由于氮化硅陶 瓷的绝缘性，尽管有一批学术文章，在生产上仍无法实现。一直到两三年前， 德国有几家公司采用革新的PVD溅射技术，使得在氮化硅陶瓷上应用PVD 涂层工艺成为可能。但是，他们的工艺也有其缺陷，还有技术障碍需要克服， 如成本高，涂层与基体的结合力不是很理想等问题。
以上所述的各因素均限制了氮化硅陶瓷刀具的推广使用，因此制备一种 兼具良好导电性能和良好力学性能的氮化硅陶瓷刀具是非常必要的，也是未 来氮化硅陶瓷刀具的发展方向之一。
发明内容
本发明针对现有的氮化硅陶瓷电学性能差、脆性大、难加工，且现有氮 化硅陶瓷刀具的成型加工方法存在缺陷和不足的问题，提供一种兼具良好力 学性能和良好电学性能的氮化硅陶瓷的制备方法，以及应用该种氮化硅陶瓷 制作刀具的成型方法。应用该种氮化硅陶瓷制作的陶瓷刀具适宜PVD涂层 工艺。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种氮化硅基导电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1、将50-88％vol的Si3N4粉、10-45％vol的导电相、0-5％vol的粘结剂、 2-5％vol的烧结助剂混合到一起，得混合原料。
优选的，所述烧结助剂由MO和稀土氧化物组成，所述MO为MgO、 Al2O3、CaO和SiO2中的至少一种。
优选的，所述导电相为TiN、TiC、TiC1-xNx、MoSi2、TiB2、ZrB2、纳米 碳纤维(CNFs)、石墨烯、碳纳米管(CNT)中的任一种；所述x为0.3-0.7。
优选的，所述粘结剂为Co、Mo、Ni、W、Ta和Ti中的至少一种。
S2、将混合原料分散于有机溶剂中，得混合浆料，然后将混合浆料烘干 并过50-200目筛，得混合粉料。
优选的，混合原料与有机溶剂混合后，首先球磨4-48h，然后超声分散 3-5min，得混合浆料。接着，将混合浆料置于60-80℃下蒸发除去大部分有 机溶剂，然后在60-100℃下将混合浆料烘干并过50-200目筛，得混合粉料。
优选的，所述混合浆料中固相的体积百分比为35-45％；有机溶剂为无 水乙醇。
S3、将混合粉料置于模具中，并在惰性气体或氮气或真空下，及 1500-1900℃下保温0.5-3h，制得氮化硅基导电陶瓷。
步骤S3中的高温烧结可采用热压烧结、气压烧结、气氛烧结、热等 静压烧结、放电等离子烧结或微波烧结。更优选的，高温烧结的条件为：1atm 的N2气氛，热压压力为30MPa。并且先以15℃/min的升温速度使温度由室 温升至1350-1500℃并保温1h，然后以5℃/min的升温速度继续升温至 1500-1825℃并保温2h。
一种氮化硅基导电陶瓷刀具的成型方法，包括以下步骤：
S1、采用电火花加工技术对以上所述的氮化硅基导电陶瓷进行粗加 工，得刀具坯体。
优选的，采用电火花加工技术对氮化硅基导电陶瓷进行粗加工的加 工参数为：脉冲电压80-150V，加工宽度5-100μs，脉冲间隔10-125 μs，加工电流0.5-30A，加工速度0.25-10mm/min。粗加工的加工余量 为0.25-1mm。
S2、用金刚石砂轮和/或立方氮化硼砂轮对刀具坯体进行精加工， 得氮化硅基导电陶瓷刀具。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过添加一定量由 MO和稀土氧化物组成的烧结助剂，可有效优化氮化硅基导电陶瓷的微观 结构，从而显著提高氮化硅基导电陶瓷的韧性和强度。而添加一定量的 导电相，不仅有助于提高氮化硅基导电陶瓷的导电率，使电阻率低于 100Ω·cm，可实现使用电火花加工技术加工氮化硅基导电陶瓷，并使应 用该种氮化硅基导电陶瓷制作的陶瓷刀具适宜PVD涂层工艺，此外对氮 化硅基导电陶瓷还起到增韧补强的作用。添加一定量的金属相粘结剂， 有助于提高氮化硅基导电陶瓷的综合性能。使用本发明所述的氮化硅基 导电陶瓷制作刀具，由于可采用电火花加工技术进行粗加工，不仅可制 备出形状复杂的刀具，还可显著降低刀具加工成本，提高刀具成型的效 率，同时放宽了对氮化硅陶瓷刀具的烧结工艺的限制，有利于获得性能 更加优异的氮化硅陶瓷刀具。
附图说明
图1为实施例24中的氮化硅基导电陶瓷刀具的结构示意图；
图2为实施例24中的氮化硅基导电陶瓷的XRD图；
图3为实施例24中的氮化硅基导电陶瓷的SEM图。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技 术方案作进一步介绍和说明。
实施例1-23
氮化硅基导电陶瓷的制备方法如下：
(1)配料：按下表1所示的体积百分比分别取Si3N4粉、导电相、 粘结剂和烧结助剂，然后将所取的各组分混合到一起，得混合原料。
(2)混合：将混合原料与无水乙醇混合，其中的固相的体积百分比为 35％；混合后将混合物置于行星式球磨机中高速(400r/min)球磨20h，然后 超声分散混合物4min；得混合浆料。接着，将混合浆料置于60℃下旋转蒸 发除去绝大部分无水乙醇，然后在80℃下将混合浆料烘干并过100目筛，得 混合粉料。
(3)高温烧结
高温烧结方式一(实施例1-19，实施例22-23)：将混合粉料置于模具中， 在1atm的N2气氛下，采用两步保温法在1800℃下进行热压，热压压力为 30MPa，保温时间为2h，具体为：以15℃/min的升温速度使温度由室温升 至1500℃并保温1h，然后以5℃/min的升温速度继续升温至1800℃并保温 保压2h。制得氮化硅基导电陶瓷。
高温烧结方式二(实施例20-21)：将混合粉料置于模具中，在1atm的 N2气氛下，采用两步保温法在1500℃下进行热压，热压压力为30MPa，保 温时间为2h，具体为：以15℃/min的升温速度使温度由室温升至1350℃并 保温1h，然后以5℃/min的升温速度继续升温至1500℃并保温保压2h。制 得氮化硅基导电陶瓷。
应用上述实施例制得的氮化硅基导电陶瓷制备氮化硅基导电陶瓷刀 具的方法如下：
(4)采用电火花线切割加工技术对氮化硅基导电陶瓷进行粗加工， 得刀具坯体。加工参数为：脉冲电压80V，加工宽度35μs，脉冲间隔 30μs，加工电流10A，加工速度5mm/min。粗加工的加工余量为0.5mm。
(5)采用金刚石砂轮对刀具坯体依次进行平磨、研磨、倒棱角和 刃磨等精加工，得到氮化硅基导电陶瓷刀具。
表1实施例1-23制备氮化硅基导电陶瓷的各组分及体积百分比


表1中的Si3N4粉、导电相、粘结剂和烧结助剂的纯度均为99.99％，粒 径均小于1μm；表1中的“X-Y”表示该组分由X和Y两种物质以任意比 例组成，如实施例1中的“MgO-Y2O3，5”指烧结助剂同时含有MgO和Y2O3， 且MgO与Y2O3可以是任意比例，只需总量满足5％vol即可。上述实施例中 的各组分的配比均为完全致密的体积比。
将上述实施例1-23制备的氮化硅基导电陶瓷刀具安装于车床，对 其进行连续切削HT250灰铸铁实验，选用刀具后刀面磨损宽度 VB＝0.3mm作为刀具失效标准，评估导电陶瓷刀具切削性能。选用型号 为SNGN120712方刀片，选用型号为CSSNL2525M1207刀杆，其安装 角度：主偏角为45°，前角和后角都是-8°30′。选用切削用量为： Vc＝300m/min，f＝0.1mm/r，ap＝0.5mm。氮化硅基导电陶瓷刀具的切削 寿命如下表2所示。
表2实施例1-23制备的氮化硅基导电陶瓷刀具的测试结果


表2中，Ra指用电火花加工技术进行粗加工后，刀具坯体的表面 粗糙度；实施例1-7、11-15、20-23的刀具坯体经金刚石砂轮研磨抛光 后表面质量(Ra)均达到1μm以下。
实施例24
氮化硅基导电陶瓷和氮化硅基导电陶瓷刀具的制备方法如下：
(1)配料：按体积百分比分别取67％vol的Si3N4粉、30％vol的 TiC0.5N0.5、3％volMgO-Y2O3，然后将该三组分混合到一起，得混合原料。
(2)混合：将混合原料与无水乙醇混合，其中的固相的体积百分比为 35％；混合后将混合物置于行星式球磨机中高速(400r/min)球磨20h，然后 对混合物进行3min超声分散；得混合浆料。接着，将混合浆料置于60℃下 旋转蒸发除去大部分无水乙醇，然后在80℃下将混合浆料烘干并过100目 筛，得混合粉料。
(3)高温烧结：将混合粉料置于模具中，在1atm的N2气氛下，在1800℃ 下进行热压，热压压力为30MPa，保温时间为1.5h，制得氮化硅基导电陶 瓷。
(4)采用电火花线切割加工技术对氮化硅基导电陶瓷进行粗加工， 得刀具坯体。加工参数为：脉冲电压100V，加工宽度50μs，脉冲间 隔35μs，加工电流5A，加工速度2.5mm/min。粗加工的加工余量为 0.5mm。
(5)采用金刚石砂轮对刀具坯体依次进行平磨、研磨、倒棱角和 刃磨等精加工，得到氮化硅基导电陶瓷刀具，其结构如图1所示。
将上述实施例30制备的氮化硅基导电陶瓷刀具安装于车床，对其 进行连续切削HT250灰铸铁实验，选用刀具后刀面磨损宽度VB＝0.3mm 作为刀具失效标准，评估导电陶瓷刀具切削性能。选用型号为 SNGN120712方刀片，选用型号为CSSNL2525M1207刀杆，其安装角 度：主偏角为45°，前角和后角都是-8°30′。选用切削用量为： Vc＝300m/min，f＝0.1mm/r，ap＝0.5mm。按照上述方法进行切削性能评 估，切削寿命可达5.5min。
经检测，氮化硅基导电陶瓷刀具的相对密度达到99.3％，硬度为 16.6GPa，断裂韧性为6.9MPa.m1/2，弯曲强度为870Mpa，电阻率 6.1×10-4Ω.cm，刀具坯体经电火花加工技术加工后，表面粗糙度为 Ra＝3.5um，刀具坯体经金刚石砂轮研磨抛光后表面质量(Ra)达到1um 以下。氮化硅基导电陶瓷的XRD图谱如图2所示，其显微结构如图3 的SEM图所示，其复相成分稳定，导电通路形成。
实施例25
氮化硅基导电陶瓷和氮化硅基导电陶瓷刀具的制备方法如下：
(1)配料：按体积百分比分别取67.5％vol的Si3N4粉、27.5％vol 的TiC0.5N0.5、5％volMgO-Y2O3，然后将该三组分混合到一起，得混合原料。
(2)混合：将混合原料与无水乙醇混合，其中的固相的体积百分比为 35％；混合后将混合物置于行星式球磨机中高速(400r/min)球磨20h，然后 对混合物进行4.5min超声分散；得混合浆料。接着，将混合浆料置于60℃ 下旋转蒸发除去大部分无水乙醇，然后在80℃下将混合浆料烘干并过100 目筛，得混合粉料。
(3)高温烧结：将混合粉料置于模具中，在1atm的N2气氛下，采用 两步保温法在1825℃下进行热压，热压压力为30MPa，保温时间为2h，具 体为：以15℃/min的升温速度使温度由室温升至1450℃并保温1h，然后以 5℃/min的升温速度继续升温至1825℃并保温保压2h。制得氮化硅基导电 陶瓷。
(4)采用电火花线切割加工技术对氮化硅基导电陶瓷进行粗加工， 得刀具坯体。加工参数为：脉冲电压100V，加工宽度35μs，脉冲间 隔35μs，加工电流15A，加工速度2mm/min。粗加工的加工余量为0.5mm。
(5)采用金刚石砂轮对刀具坯体依次进行平磨、研磨、倒棱角和 刃磨等精加工，得到氮化硅基导电陶瓷刀具。
将上述实施例31制备的氮化硅基导电陶瓷刀具安装于车床，对其 进行连续切削HT250灰铸铁实验，选用刀具后刀面磨损宽度VB＝0.3mm 作为刀具失效标准，评估导电陶瓷刀具切削性能。选用型号为 SNGN120712方刀片，选用型号为CSSNL2525M1207刀杆，其安装角 度：主偏角为45°，前角和后角都是-8°30′。选用切削用量为： Vc＝300m/min，f＝0.1mm/r，ap＝0.5mm。按照上述方法进行切削性能评 估，切削寿命可达5min。
经检测，氮化硅基导电陶瓷刀具的相对密度达到99.5％，硬度为 16.8GPa，断裂韧性为6.5MPa.m1/2，弯曲强度为830Mpa，电阻率 83.3×10-3Ω.cm，刀具坯体经电火花加工技术加工后，表面粗糙度为 Ra＝3.8um，使用金刚石砂轮对刀具坯体研磨抛光后表面质量(Ra)达 到1um以下。
在其它实施方案中，烧结助剂中的MO还可以是MgO、Al2O3、CaO 和SiO2中的至少一种；烧结助剂中的稀土氧化可以是Yb2O3、Lu2O3、Sc2O3、 Y2O3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、 Dy2O3、Ho2O3、Er2O3和Tm2O3中的至少一种；导电相还可以是TiN、TiC、 TiC1-xNx(x＝0.3-0.7)、MoSi2、TiB2、ZrB2、碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的 任一种；粘结剂还可以是Co、Mo、Ni、W、Ta和Ti中的至少一种。
在其它实施方案中，混合步骤中所用的溶剂还可以是其它有机溶剂， 并且混合浆料中的固相的体积百分比还可以是35-45％；混合物在球磨机球 磨的时间还可以是4-48h，超声波分散的时间可以是3-5min；混合浆料还可 置于60-80℃下蒸发除去大部分有机溶剂，然后在60-100℃下将混合浆料烘 干并过50-200目筛，得混合粉料。高温烧结步骤中，高温烧结的方式可以 是热压烧结、气压烧结、气氛烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结或微波 烧结；模具中的混合粉料还可以在惰性气体或氮气或真空下，及1500-1900℃ 下保温0.5-3h。采用电火花加工技术对氮化硅基导电陶瓷进行粗加工的加 工参数还可以是：脉冲电压80-150V，加工宽度5-100μs，脉冲间隔 10-125μs，加工电流0.5-30A，加工速度0.25-10mm/min；粗加工的加 工余量为0.25-1mm。
以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容 易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延 伸或再创造，均受本发明的保护。