Al₂O₃基復合金屬陶瓷在某Cu合金擠壓模具中的應用研究

劉咸超 宋寧 郭容

摘? 要：Al2O3基復合金屬陶瓷是一種以Al2O3為主，添加W或Ti、Cr等合金元素，通常采用熱壓燒結法、微波燒結法等方法燒結成型的一種新型材料，相較于傳統的金屬材料而言，該材料硬度大、耐磨損、熔點高，特別適合于熱成型擠壓模具成型。通過研究，對某Cu合金擠壓模具口模選擇材料為Al2O3基復合金屬陶瓷，并對該口模采用冷等靜壓成型的方式進行制備。對該材料的力學性能測試顯示其力學性能較為優異，因此對這類新材料的研究具有很高的研究意義和實用價值。

關鍵詞：復合金屬陶瓷;熱擠壓模具;力學性能

中圖分類號：TG174? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 研究背景

對于熱擠壓模具而言，其模具材料的選擇一直是一個難題，因為通常熱擠壓模具工作溫度在900℃以上，且熱循環應力較為顯著，模腔內的壓力通常在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在必行。

Al2O3基復合金屬陶瓷其實早在20世紀20年代就已經開始研究其在工業生產中的應用。但是Al2O3基復合金屬陶瓷在早期的研究中，發現該材料雖然硬度高、耐酸堿、耐腐蝕、抗高溫、價格低廉，但是其強度并不高，脆性很大，在工程應用上受到很大限制，因此該種類型材料一直未能實際應用。近年來，隨著納米技術的應用，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，采用熱壓燒結法燒結成型，從而得到這類新型材料。如崔繼強等人采用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，其硬度能達到19GPa以上，抗折強度在900 MPa以上，力學性能非常優異。因此該類材料具有較高的力學性能，是制作熱擠壓模具的優良材料。

2 Al2O3基復合金屬陶瓷采用納米級金屬添加劑的原因

對于Al2O3基復合金屬陶瓷而言，其本身的性能就是硬度大、質脆，對于Ni粉、MgO粉、Ti粉、W粉、Co粉等納米級金屬添加劑而言，通過包裹金屬添加劑，最理想的狀態是添加劑中納米級細小的金屬顆粒能夠在Al2O3陶瓷中進行均勻的分布，從而改善Al2O3陶瓷的基本相，阻止Al2O3晶粒在燒結過程中的長大，進而極大地改良Al2O3陶瓷的抗折強度、彎曲強度、硬度、柔韌性。

采用納米級金屬添加劑，可以有效避免采用微米級金屬添加劑所帶來的燒結制品不致密、力學性能不高和柔韌性不佳等缺陷。通過實驗，在其他同等條件下采用納米級金屬添加劑比添加同品類微米級添加劑其抗折強度約提升30%，彎曲強度約提升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雜、惡劣，精度要求最高的零件，因為在工作時該口模最先和高溫Cu合金零件接觸，同時需要將液壓機的壓力通過該口模傳遞給Cu合金零件和模套。當被壓的Cu合金零件開始流出模具時，模座上的冷卻水對Cu合金進行冷卻，此時口模承受了較大的冷熱交變應力和熱沖擊。在擠壓結束后，模具立即開模，取出制品和清除殘渣后就立即開始下一個生產過程，大約8 s～12 s循環一次。因此如果采用常規的金屬材料來制作口模，大約在進行數千次生產過程后即出現較為明顯的質量問題，如出現崩口、裂紋、侵蝕、變形等缺陷，導致口模不得不更換。

為了提高口模的質量和模具的使用性能、使用壽命，該文選用Al2O3基復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、耐磨性等優點，研究出這類Cu合金擠壓模具口模的材料，將其應用于企業生產，能較大地改善模具質量，顯著提高企業生產效率，降低生產成本。

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，且晶相穩定，不易與加入的金屬添加劑發生劇烈的化學反應，產生金屬化合物。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，同時添加適量的無水乙醇進行充分混合，充分混合后將混合液在強制式不銹鋼混合機中進行球磨80 h，在球磨過程中可根據實際情況繼續添加適量的無水乙醇進行充分混合。混合后在精密鼓風干燥箱中進行充分干燥，干燥時間約24 h，溫度為100℃，待混合粉料干燥后，過160目篩，然后真空儲存，并進行口模的成型。

考慮到該口模是細長件，其長徑比為3.5，如果采用模壓成型可能會導致口模致密度不夠，進而產生質量缺陷， 因此該文采用冷等靜壓成型的方式，等比例制作相應的凹橡膠模，然后在橡膠模中裝滿粉料，將其置于振動平臺上，振動頻率為35 Hz，時間為100 s，然后將胚件和橡膠模在冷等精壓機中進行壓制，使壓力能夠通過流體的傳導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爐，進行真空燒結，燒結最大溫度為1 650℃，并在此溫度上保溫20 min，以保證Al2O3基復合金屬陶瓷晶粒的長成，然后逐步冷卻至室溫，在燒結的過程中，對胚體施加一定的燒結壓力能縮短燒結時間、提高胚體的致密度，因此該文采用20 MPa的燒結壓力，燒結壓力越高越有利于提高胚體的致密度，受限于工藝條件，該實驗不采用分段壓力。

制得Al2O3基復合金屬陶瓷口模后，對其進行相組成分析結果顯示，該Al2O3基復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，這種結構形態使Al2O3晶粒呈棒狀生長，Al2O3晶粒的分散性更好。通過對該材料的力學性能測試，其相對密度為98.32%，硬度為17.89 GPa，斷裂韌性為7.98MPa·m1/2，材料的綜合力學性能較為優異。

5 結語

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，同時提升了材料的硬度和強度，使Cu合金擠壓模具口模的質量得以顯著改善，相關Cu合金產品質量也有所提升。

參考文獻

[1]崔繼強， 徐和林， 劉學強.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.氧化鋁基復合金屬陶瓷模具材料的力學性能研究[J].熱加工工藝，2016（4）：12.

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

[4]徐立強， 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，2007，24（9）：17-19.