Al2O3基复合金属陶瓷在某Cu合金挤压模具中的应用研究

    刘咸超 宋宁 郭容

    摘? 要：Al2O3基复合金属陶瓷是一种以Al2O3为主，添加W或Ti、Cr等合金元素，通常采用热压烧结法、微波烧结法等方法烧结成型的一种新型材料，相较于传统的金属材料而言，该材料硬度大、耐磨损、熔点高，特别适合于热成型挤压模具成型。通过研究，对某Cu合金挤压模具口模选择材料为Al2O3基复合金属陶瓷，并对该口模采用冷等静压成型的方式进行制备。对该材料的力学性能测试显示其力学性能较为优异，因此对这类新材料的研究具有很高的研究意义和实用价值。

    关键词：复合金属陶瓷;热挤压模具;力学性能

    中图分类号：TG174? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

    1 研究背景

    对于热挤压模具而言，其模具材料的选择一直是一个难题，因为通常热挤压模具工作温度在900℃以上，且热循环应力较为显著，模腔内的压力通常在1 800 MPa以上，并且还有一定的腐蚀性，因此在这种情况下金属材料是难以胜任的，所以挖掘新型材料势在必行。

    Al2O3基复合金属陶瓷其实早在20世纪20年代就已经开始研究其在工业生产中的应用。但是Al2O3基復合金属陶瓷在早期的研究中，发现该材料虽然硬度高、耐酸碱、耐腐蚀、抗高温、价格低廉，但是其强度并不高，脆性很大，在工程应用上受到很大限制，因此该种类型材料一直未能实际应用。近年来，随着纳米技术的应用，以纳米Al2O3粉为主要原料，添加Ni粉、MgO粉、Ti粉、W粉、Co粉等添加剂，采用热压烧结法烧结成型，从而得到这类新型材料。如崔继强等人采用70.5wt%的Al2O3，14 wt% 的W和Cr而制得的金属陶瓷挤压模具材料，其硬度为78.8 HRA，弯曲强度890 MPa;如王丹采用74 wt%的Al2O3，18 wt% 的ZrO2，6 wt% 的Ti等纳米材料，其硬度能达到19GPa以上，抗折强度在900 MPa以上，力学性能非常优异。因此该类材料具有较高的力学性能，是制作热挤压模具的优良材料。

    2 Al2O3基复合金属陶瓷采用纳米级金属添加剂的原因

    对于Al2O3基复合金属陶瓷而言，其本身的性能就是硬度大、质脆，对于Ni粉、MgO粉、Ti粉、W粉、Co粉等纳米级金属添加剂而言，通过包裹金属添加剂，最理想的状态是添加剂中纳米级细小的金属颗粒能够在Al2O3陶瓷中进行均匀的分布，从而改善Al2O3陶瓷的基本相，阻止Al2O3晶粒在烧结过程中的长大，进而极大地改良Al2O3陶瓷的抗折强度、弯曲强度、硬度、柔韧性。

    采用纳米级金属添加剂，可以有效避免采用微米级金属添加剂所带来的烧结制品不致密、力学性能不高和柔韧性不佳等缺陷。通过实验，在其他同等条件下采用纳米级金属添加剂比添加同品类微米级添加剂其抗折强度约提升30%，弯曲强度约提升20%，硬度、柔韧性均大大增加。

    3 某Cu合金挤压模具口模的选材

    口模是该Cu合金挤压模具的重要零件，是该挤压模具中工作条件最复杂、恶劣，精度要求最高的零件，因为在工作时该口模最先和高温Cu合金零件接触，同时需要将液压机的压力通过该口模传递给Cu合金零件和模套。当被压的Cu合金零件开始流出模具时，模座上的冷却水对Cu合金进行冷却，此时口模承受了较大的冷热交变应力和热冲击。在挤压结束后，模具立即开模，取出制品和清除残渣后就立即开始下一个生产过程，大约8 s～12 s循环一次。因此如果采用常规的金属材料来制作口模，大约在进行数千次生产过程后即出现较为明显的质量问题，如出现崩口、裂纹、侵蚀、变形等缺陷，导致口模不得不更换。

    为了提高口模的质量和模具的使用性能、使用寿命，该文选用Al2O3基复合金属陶瓷为口模的材料，利用金属陶瓷高温下具有较高的硬度、耐磨性等优点，研究出这类Cu合金挤压模具口模的材料，将其应用于企业生产，能较大地改善模具质量，显著提高企业生产效率，降低生产成本。

    4 某Cu合金挤压模具口模的制备

    该文选择的模具口模的主要原料是α-Al2O3，也叫刚玉，它的粒度分布比较均匀，几乎没有催化活性，且晶相稳定，不易与加入的金属添加剂发生剧烈的化学反应，产生金属化合物。通常Al2O3原料的添加比例在70 wt%～85 wt%，该文采用75 wt%的α-Al2O3，平均颗粒直径为30 nm，添加金属纳米添加剂为20 wt%的Ti（C，N），5 wt%的Mo+Ni（1∶1），0.25 wt%的Y2O3、MgO，金属纳米添加剂直径均为1μm，同时添加适量的无水乙醇进行充分混合，充分混合后将混合液在强制式不锈钢混合机中进行球磨80 h，在球磨过程中可根据实际情况继续添加适量的无水乙醇进行充分混合。混合后在精密鼓风干燥箱中进行充分干燥，干燥时间约24 h，温度为100℃，待混合粉料干燥后，过160目筛，然后真空储存，并进行口模的成型。

    考虑到该口模是细长件，其长径比为3.5，如果采用模压成型可能会导致口模致密度不够，进而产生质量缺陷， 因此该文采用冷等静压成型的方式，等比例制作相应的凹橡胶模，然后在橡胶模中装满粉料，将其置于振动平台上，振动频率为35 Hz，时间为100 s，然后将胚件和橡胶模在冷等精压机中进行压制，使压力能够通过流体的传导均匀作用于胚件和橡胶模的所有方向上，然后将胚件取出，并将其放入真空热压烧结炉，进行真空烧结，烧结最大温度为1 650℃，并在此温度上保温20 min，以保证Al2O3基复合金属陶瓷晶粒的长成，然后逐步冷却至室温，在烧结的过程中，对胚体施加一定的烧结压力能缩短烧结时间、提高胚体的致密度，因此该文采用20 MPa的烧结压力，烧结压力越高越有利于提高胚体的致密度，受限于工艺条件，该实验不采用分段压力。

    制得Al2O3基复合金属陶瓷口模后，对其进行相组成分析结果显示，该Al2O3基复合金属陶瓷口模的组成相主要是Al2O3、Ti（C，N）和少量的Mo+Ni，其中金属相均匀的被包覆在Al2O3晶粒表面形成致密的金属薄膜，这种结构形态使Al2O3晶粒呈棒状生长，Al2O3晶粒的分散性更好。通过对该材料的力学性能测试，其相对密度为98.32%，硬度为17.89 GPa，断裂韧性为7.98MPa·m1/2，材料的综合力学性能较为优异。

    5 结语

    将Mo、Ni、MgO等金属添加剂加入纳米Al2O3和纳米Ti（C，N）后，该材料的综合力学性能得到了较大的提高，极大地改善了陶瓷材料的脆性，同时提升了材料的硬度和强度，使Cu合金挤压模具口模的质量得以显著改善，相关Cu合金产品质量也有所提升。

    参考文献

    [1]崔继强， 徐和林， 刘学强.氧化铝基金属陶瓷挤压模具材料的制备及分析[J].热加工工艺，2015（8）：61-64.

    [2]王丹.氧化铝基复合金属陶瓷模具材料的力学性能研究[J].热加工工艺，2016（4）：12.

    [3]兰慧鑫.Al_2O_3-Ti（C N）复合金属陶瓷模具材料的制备与性能研究[D].沈阳理工大学，2015.

    [4]徐立强， 侯志刚， 黄传真，等.微米/纳米Ti（C，N）基金属陶瓷刀具材料的研制[J].工具技术，2007，24（9）：17-19.