Al₂O₃基復(fù)合金屬陶瓷在某Cu合金擠壓模具中的應(yīng)用研究

劉咸超 宋寧 郭容

摘? 要：Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷是一種以Al2O3為主，添加W或Ti、Cr等合金元素，通常采用熱壓燒結(jié)法、微波燒結(jié)法等方法燒結(jié)成型的一種新型材料，相較于傳統(tǒng)的金屬材料而言，該材料硬度大、耐磨損、熔點(diǎn)高，特別適合于熱成型擠壓模具成型。通過研究，對(duì)某Cu合金擠壓模具口模選擇材料為Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷，并對(duì)該口模采用冷等靜壓成型的方式進(jìn)行制備。對(duì)該材料的力學(xué)性能測(cè)試顯示其力學(xué)性能較為優(yōu)異，因此對(duì)這類新材料的研究具有很高的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：復(fù)合金屬陶瓷;熱擠壓模具;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG174? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 研究背景

對(duì)于熱擠壓模具而言，其模具材料的選擇一直是一個(gè)難題，因?yàn)橥ǔ釘D壓模具工作溫度在900℃以上，且熱循環(huán)應(yīng)力較為顯著，模腔內(nèi)的壓力通常在1 800 MPa以上，并且還有一定的腐蝕性，因此在這種情況下金屬材料是難以勝任的，所以挖掘新型材料勢(shì)在必行。

Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷其實(shí)早在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)開始研究其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。但是Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷在早期的研究中，發(fā)現(xiàn)該材料雖然硬度高、耐酸堿、耐腐蝕、抗高溫、價(jià)格低廉，但是其強(qiáng)度并不高，脆性很大，在工程應(yīng)用上受到很大限制，因此該種類型材料一直未能實(shí)際應(yīng)用。近年來，隨著納米技術(shù)的應(yīng)用，以納米Al2O3粉為主要原料，添加Ni粉、MgO粉、Ti粉、W粉、Co粉等添加劑，采用熱壓燒結(jié)法燒結(jié)成型，從而得到這類新型材料。如崔繼強(qiáng)等人采用70.5wt%的Al2O3，14 wt% 的W和Cr而制得的金屬陶瓷擠壓模具材料，其硬度為78.8 HRA，彎曲強(qiáng)度890 MPa;如王丹采用74 wt%的Al2O3，18 wt% 的ZrO2，6 wt% 的Ti等納米材料，其硬度能達(dá)到19GPa以上，抗折強(qiáng)度在900 MPa以上，力學(xué)性能非常優(yōu)異。因此該類材料具有較高的力學(xué)性能，是制作熱擠壓模具的優(yōu)良材料。

2 Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷采用納米級(jí)金屬添加劑的原因

對(duì)于Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷而言，其本身的性能就是硬度大、質(zhì)脆，對(duì)于Ni粉、MgO粉、Ti粉、W粉、Co粉等納米級(jí)金屬添加劑而言，通過包裹金屬添加劑，最理想的狀態(tài)是添加劑中納米級(jí)細(xì)小的金屬顆粒能夠在Al2O3陶瓷中進(jìn)行均勻的分布，從而改善Al2O3陶瓷的基本相，阻止Al2O3晶粒在燒結(jié)過程中的長大，進(jìn)而極大地改良Al2O3陶瓷的抗折強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、硬度、柔韌性。

采用納米級(jí)金屬添加劑，可以有效避免采用微米級(jí)金屬添加劑所帶來的燒結(jié)制品不致密、力學(xué)性能不高和柔韌性不佳等缺陷。通過實(shí)驗(yàn)，在其他同等條件下采用納米級(jí)金屬添加劑比添加同品類微米級(jí)添加劑其抗折強(qiáng)度約提升30%，彎曲強(qiáng)度約提升20%，硬度、柔韌性均大大增加。

3 某Cu合金擠壓模具口模的選材

口模是該Cu合金擠壓模具的重要零件，是該擠壓模具中工作條件最復(fù)雜、惡劣，精度要求最高的零件，因?yàn)樵诠ぷ鲿r(shí)該口模最先和高溫Cu合金零件接觸，同時(shí)需要將液壓機(jī)的壓力通過該口模傳遞給Cu合金零件和模套。當(dāng)被壓的Cu合金零件開始流出模具時(shí)，模座上的冷卻水對(duì)Cu合金進(jìn)行冷卻，此時(shí)口模承受了較大的冷熱交變應(yīng)力和熱沖擊。在擠壓結(jié)束后，模具立即開模，取出制品和清除殘?jiān)缶土⒓撮_始下一個(gè)生產(chǎn)過程，大約8 s～12 s循環(huán)一次。因此如果采用常規(guī)的金屬材料來制作口模，大約在進(jìn)行數(shù)千次生產(chǎn)過程后即出現(xiàn)較為明顯的質(zhì)量問題，如出現(xiàn)崩口、裂紋、侵蝕、變形等缺陷，導(dǎo)致口模不得不更換。

為了提高口模的質(zhì)量和模具的使用性能、使用壽命，該文選用Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷為口模的材料，利用金屬陶瓷高溫下具有較高的硬度、耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，研究出這類Cu合金擠壓模具口模的材料，將其應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)，能較大地改善模具質(zhì)量，顯著提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

4 某Cu合金擠壓模具口模的制備

該文選擇的模具口模的主要原料是α-Al2O3，也叫剛玉，它的粒度分布比較均勻，幾乎沒有催化活性，且晶相穩(wěn)定，不易與加入的金屬添加劑發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生金屬化合物。通常Al2O3原料的添加比例在70 wt%～85 wt%，該文采用75 wt%的α-Al2O3，平均顆粒直徑為30 nm，添加金屬納米添加劑為20 wt%的Ti（C，N），5 wt%的Mo+Ni（1∶1），0.25 wt%的Y2O3、MgO，金屬納米添加劑直徑均為1μm，同時(shí)添加適量的無水乙醇進(jìn)行充分混合，充分混合后將混合液在強(qiáng)制式不銹鋼混合機(jī)中進(jìn)行球磨80 h，在球磨過程中可根據(jù)實(shí)際情況繼續(xù)添加適量的無水乙醇進(jìn)行充分混合?；旌虾笤诰芄娘L(fēng)干燥箱中進(jìn)行充分干燥，干燥時(shí)間約24 h，溫度為100℃，待混合粉料干燥后，過160目篩，然后真空儲(chǔ)存，并進(jìn)行口模的成型。

考慮到該口模是細(xì)長件，其長徑比為3.5，如果采用模壓成型可能會(huì)導(dǎo)致口模致密度不夠，進(jìn)而產(chǎn)生質(zhì)量缺陷， 因此該文采用冷等靜壓成型的方式，等比例制作相應(yīng)的凹橡膠模，然后在橡膠模中裝滿粉料，將其置于振動(dòng)平臺(tái)上，振動(dòng)頻率為35 Hz，時(shí)間為100 s，然后將胚件和橡膠模在冷等精壓機(jī)中進(jìn)行壓制，使壓力能夠通過流體的傳導(dǎo)均勻作用于胚件和橡膠模的所有方向上，然后將胚件取出，并將其放入真空熱壓燒結(jié)爐，進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)最大溫度為1 650℃，并在此溫度上保溫20 min，以保證Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷晶粒的長成，然后逐步冷卻至室溫，在燒結(jié)的過程中，對(duì)胚體施加一定的燒結(jié)壓力能縮短燒結(jié)時(shí)間、提高胚體的致密度，因此該文采用20 MPa的燒結(jié)壓力，燒結(jié)壓力越高越有利于提高胚體的致密度，受限于工藝條件，該實(shí)驗(yàn)不采用分段壓力。

制得Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷口模后，對(duì)其進(jìn)行相組成分析結(jié)果顯示，該Al2O3基復(fù)合金屬陶瓷口模的組成相主要是Al2O3、Ti（C，N）和少量的Mo+Ni，其中金屬相均勻的被包覆在Al2O3晶粒表面形成致密的金屬薄膜，這種結(jié)構(gòu)形態(tài)使Al2O3晶粒呈棒狀生長，Al2O3晶粒的分散性更好。通過對(duì)該材料的力學(xué)性能測(cè)試，其相對(duì)密度為98.32%，硬度為17.89 GPa，斷裂韌性為7.98MPa·m1/2，材料的綜合力學(xué)性能較為優(yōu)異。

5 結(jié)語

將Mo、Ni、MgO等金屬添加劑加入納米Al2O3和納米Ti（C，N）后，該材料的綜合力學(xué)性能得到了較大的提高，極大地改善了陶瓷材料的脆性，同時(shí)提升了材料的硬度和強(qiáng)度，使Cu合金擠壓模具口模的質(zhì)量得以顯著改善，相關(guān)Cu合金產(chǎn)品質(zhì)量也有所提升。

參考文獻(xiàn)

[1]崔繼強(qiáng)， 徐和林， 劉學(xué)強(qiáng).氧化鋁基金屬陶瓷擠壓模具材料的制備及分析[J].熱加工工藝，2015（8）：61-64.

[2]王丹.氧化鋁基復(fù)合金屬陶瓷模具材料的力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝，2016（4）：12.

[3]蘭慧鑫.Al_2O_3-Ti（C N）復(fù)合金屬陶瓷模具材料的制備與性能研究[D].沈陽理工大學(xué)，2015.

[4]徐立強(qiáng)， 侯志剛， 黃傳真，等.微米/納米Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具材料的研制[J].工具技術(shù)，2007，24（9）：17-19.