层状Al2O3/WC陶瓷刀具材料素坯制备机理及烧结工艺的研究

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本文针对目前层状复合陶瓷刀具材料素坯制备方法存在制备效率低、层厚难以控制等问题,提出雾化-喷覆液膜-干燥法制备层状复合陶瓷刀具材料素坯新工艺,运用雾化-喷覆液膜-干燥法制备了层状Al2O3/WC复合陶瓷刀具材料素坯,并研究了其制备机理;采用热压烧结工艺,研制成功了新型层状Al2O3/WC复合陶瓷刀具材料,并对其相关性能以及微观形貌进行了系统研究。依据陶瓷刀具材料的设计原则,确定了陶瓷相为Al2O3和WC,金属相为Ni,并分析了其润湿性和化学物理相容性。运用雾化-喷覆液膜-干燥法制备了层状Al2O3/WC陶瓷刀具材料素坯,研究了Al2O3、WC纳米粉末与无水乙醇的配比对雾化效果和干燥时间的影响、干燥温度对干燥时间的影响,并分析了不同干燥温度下素坯材料层表面形貌。结果表明:当Al2O3、WC粉末与无水乙醇的配比为1:25及干燥温度为90℃时,可高效制备出高质量的陶瓷材料素坯。为了提高烧结后陶瓷材料的致密度,本研究采用真空热压烧结技术对材料素坯进行了烧结。依据烧结致密化机理确定了烧结压力,结合材料的特性,确定了烧结温度的范围和保温时间。在陶瓷刀具材料力学测试方面,依据国家相关标准对其力学性能进行了测试;与此同时,对材料的微观组织进行了分析。主要研究了素坯在烧结压力为30MPa、保温时间为20min下,烧结温度分别为1600℃、1650℃、1700℃、1750℃时,新型层状Al2O3/WC复合陶瓷刀具材料的相对密度、抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度、摩擦磨损性能及微观组织。研究表明:随着烧结温度的升高,层状Al2O3/WC陶瓷刀具材料的致密化效果越来越好,1750℃烧结温度下相对密度最大,可以达到97.22%,但是烧结温度对其影响效果并不是特别明显;随着烧结温度的升高,抗弯强度先增大后减小,1650℃时抗弯强度最好,可以达到469.46MPa;随着烧结温度的升高,维氏硬度随之增大,在1750℃下维氏硬度最好,可以达到17.02GPa;随着烧结温度的升高,断裂韧度随之增大,在1750℃下断裂韧度最好,可以达到4.13MPa/m1/2;随着烧结温度的升高,层状Al2O3/WC陶瓷刀具材料的摩擦系数先增大后减小,当载荷为60N,烧结温度为1600℃时,摩擦系数的平均值最小,其为0.19;磨损量与摩擦系数有相同的变化规律,当载荷为60N,烧结温度为1600℃时,磨损量的平均值最小,其为0.9×103mm3;通过观察层状Al2O3/WC陶瓷刀具材料的层面形貌,可知随着烧结温度的升高,致密化效果越好。
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