專利名稱：一種氧化鋁-碳化鈦-氧化鋯納米復(fù)合陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氧化鋁-碳化鈦-氧化鋯納米復(fù)合陶 瓷材料的制備方法。
背景技術(shù)：
氧化鋁陶瓷具有硬度高、耐磨性高、耐熱性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定及成本低等優(yōu)點，是 制作加工難加工材料刀具的理想材料。國內(nèi)外科研人員對氧化鋁陶瓷材料在增韌補強方面 的研究和應(yīng)用取得了突破性的進展，主要的理論成果有顆粒彌散增韌強化、相變增韌補強 和晶須增韌補強。這使得氧化鋁陶瓷的強度和韌性有了極大地提高，并有效地克服了氧化 鋁陶瓷本身具有的脆性缺陷，提高了氧化鋁陶瓷的可靠性和使用壽命，拓展了其應(yīng)用范圍。20世紀八十年代初，原山東工業(yè)大學(xué)的刀具材料研究組采用快速熱壓燒結(jié)技術(shù)制 備了氧化鋁_碳化鈦復(fù)合陶瓷刀具材料，其抗彎強度大于900MPa、硬度為HRA93. 7-94. 8、 斷裂韌度為5. (MMPa*!!!1氣適用于高強度鋼的半精加工和精加工(艾興.高速切削技術(shù) 和刀具材料現(xiàn)狀與展望.世界制造技術(shù)與裝備市場，2001，6(3) :32-36)，與純氧化鋁陶瓷 相比其綜合性能有了極大地的提高，但相對較低的斷裂韌性限制了其進一步的應(yīng)用范圍。 隨著科技的發(fā)展，納米粉末材料的出現(xiàn)，使用納米粉末材料制作陶瓷刀具成為可能。研 究表明，在陶瓷材料中加入納米顆粒可以有效提高復(fù)合陶瓷材料的抗彎強度和斷裂韌性 (M. Stemitzke. Review :Structural Ceramic Nanocomposites[J]. J. Eur. Ceram. Soc[J]， 1997，17 :1061-1082)。但是，對于納米粉體，由于粒徑小、比表面積大、化學(xué)活性高，因此，在 原料制備過程中，易于團聚成尺寸較大的團聚體。納米粉體的團聚將會使燒結(jié)體的致密度、 強度、韌性等性能降低，從而影響其可靠性和壽命。現(xiàn)常用的分散劑有聚乙二醇(PEG)和 六偏磷酸鈉。其分散效果受多種因素的影響，如粒度、比表面積、加入量、分散介質(zhì)、固相含 量、PH值以及超聲分散的強度與時間等都直接與分散效果有關(guān)。在原料的制備過程中，需 要大量的對比實驗以確定分散劑對某種原料的最佳分散工藝參數(shù)。四方氧化鋯在應(yīng)力誘導(dǎo)下發(fā)生相變(t相一m相)，其體積變大，在基體內(nèi)部產(chǎn)生壓 應(yīng)力，從而使陶瓷材料的斷裂韌度得到提高。氧化鋯的相變增韌作為陶瓷增韌的一種手段， 一直受到科研人員的關(guān)注和研究。鐘金豹研究了氧化鋁_氧化鋯_碳化鈦復(fù)合陶瓷材料， 其配比為氧化鋁69. 5 84. 5wt%、氧化鋯10 25wt%、碳化鈦5wt%、余量為氧化鎂，制 備出復(fù)合陶瓷材料的抗彎強度為556. 46 904. 70MPa，維氏硬度為17. 43 18. lOGPa，斷 裂韌度為4. 16 4. 72MPa m"2 (鐘金豹.納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具及切削性能 研究[D].濟南山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007)。氧化鋯在發(fā)生相變時，還會使基體產(chǎn)生微 裂紋，當(dāng)基體的主裂紋擴展到微裂紋區(qū)后(鄧建新，趙軍.數(shù)控刀具材料選用手冊.北京 機械工業(yè)出版社，2005)，會誘發(fā)許多發(fā)散的微裂紋，形成新的斷裂表面，從而吸收了主裂紋 擴展的能量，這也提高了陶瓷材料的斷裂韌度。在常溫下，氧化鋯的增韌效果顯著，但隨著 溫度的升高而急劇下降，約在800°C 1000°C時，就會發(fā)生單斜相轉(zhuǎn)化為四方相(m相一t相)的反向相變轉(zhuǎn)化，相變增韌就失效了，這限制了氧化鋯的應(yīng)用范圍。雖然微裂紋增韌不 受溫度的影響，但是微裂紋增韌的同時會造成陶瓷材料硬度的降低，因此陶瓷材料中氧化 鋯的含量就顯得尤其重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用顆粒彌散增韌強化和相變增韌 補強協(xié)同增韌的機制，提供一種高強度、高硬度、高韌性及耐高溫的氧化鋁_碳化鈦_氧化 鋯納米復(fù)合陶瓷材料的制備方法。本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的—種氧化鋁_碳化鈦_氧化鋯納米復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征是包括以下 步驟(1)配料按體積百分比亞微米a-Al203為30 40vol%、納米TiC為50 62vol%、納米 Zr02為1 4vol %、鉬粉和鎳粉為2 7vol %、余量為MgO和Y203進行配料；(2)納米顆粒的分散a.將稱重后的納米TiC緩慢加入無水乙醇中，邊加入邊攪拌，配制成體積分數(shù)為 2 %的懸浮液，然后超聲攪拌至均勻；以聚乙二醇為分散劑，其用量為要分散納米TiC質(zhì)量 的0.8%，超聲并攪拌至均勻；b.將稱重后的納米&02緩慢加入無水乙醇中，邊加入邊攪拌，配制成體積分數(shù)為 2%的懸浮液，然后超聲攪拌至均勻；以聚乙二醇為分散劑，其用量為要分散納米&02質(zhì)量 的1.4%，超聲并攪拌至均勻；(3)混料將配制好的納米TiC懸浮液、納米&02懸浮液，與亞微米a _A1203、鉬粉和鎳粉、 MgO和Y203進行混合，超聲攪拌至均勻；在球磨機上球磨混合，經(jīng)真空干燥、120目篩過篩，得 到混合均勻的原料粉末；(4)熱壓燒結(jié)將混合好的原料粉末裝入高強度石墨模具中，采用熱壓燒結(jié)工藝，在1550°C以下 時，升溫速率為75 110°C /min ；在1550°C以上時，升溫速率30 50°C /min ；在960°C保 溫5min，并開始緩慢加壓，每加壓3MPa，就停止加壓，待其回落1 2MPa后，重復(fù)上述加壓 方式；在1600°C時，加壓至30Mpa ；在1680°C 1745°C、壓力30MPa條件下，保溫10分鐘，然 后斷電自然冷卻至室溫。上述一種氧化鋁_碳化鈦_氧化鋯納米復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征是步驟(1)中亞微米a-A1203的粒徑為0.5 0.8 iim、納米TiC的粒徑為100 200nm、納米&02的平均粒徑為40nm、鉬粉和鎳粉的平均粒徑為0. 5 y m ；步驟(3)中，超聲 攪拌時間25分鐘以上，球磨的時間為72 100小時。通過以上步驟，可制得致密度高、粒度分布均勻、具有高硬度、高強度、高斷裂韌度 及耐高溫的氧化鋁_碳化鈦_氧化鋯納米復(fù)合陶瓷材料。該納米復(fù)合陶瓷材料適合制作高 溫及耐磨性要求較高的金屬切削刀具、噴嘴等，是制作加工低合金超高強度調(diào)質(zhì)鋼刀具的 優(yōu)良材料。具體實施方案下面給出本發(fā)明的三個最佳實施例。實施例1亞微米a-Al203 (平均粒徑0. 5iim)34. 2vol%、納米TiC(平均粒徑140nm)為 59vol%、納米&02(平均粒徑40nm)為1. 9vol %、鉬粉和鎳粉(平均粒徑0. 5iim)為 4vol %、余量為MgO和Y203進行配料。將稱重后的納米TiC緩慢加入無水乙醇中，邊加入邊攪拌，配制成體積分數(shù)為2% 的懸浮液，然后超聲攪拌至均勻；以聚乙二醇為分散劑，其用量為要分散納米TiC質(zhì)量的 0.8%，超聲并攪拌至均勻。將稱重后的納米&02緩慢加入無水乙醇中，邊加入邊攪拌，配制成體積分數(shù)為2% 的懸浮液，然后超聲攪拌至均勻；以聚乙二醇為分散劑，其用量為要分散納米&02質(zhì)量的 1.4%，超聲并攪拌至均勻。將配制好的納米TiC懸浮液、納米&02懸浮液，與亞微米Q_A1203、鉬粉和鎳粉、MgO 和Y203進行混合，超聲攪拌至均勻；在球磨機上球磨混合100小時，經(jīng)真空干燥、120目篩過 篩，得到混合均勻的原料粉末。將混合好的原料粉末裝入高強石墨模具中，采用熱壓燒結(jié)工藝，在真空熱壓燒結(jié) 爐內(nèi)燒結(jié)。在1550°C以下時，升溫速率為75 110°C /min ；在1550°C以上時，升溫速率 30 50°C /min ；在960°C保溫5min，并開始緩慢加壓，每加壓3MPa，就停止加壓，待其回落 1 2MPa后，重復(fù)上述加壓方式；在1600°C時，加壓至30Mpa ；約在1719°C、壓力30MPa條件 下，保溫10分鐘，然后斷電自然冷卻至室溫。材料的力學(xué)性能為維氏硬度19 20. 8GPa，抗彎強度800 950MPa，斷裂韌 性6. 7 7. 3MPa. m1/2。實施例2亞微米Q-A1203 (平均粒徑0. 5 ii m) 34. lvol %、納米TiC (平均粒徑140nm)為 57vol %、納米Zr02 (平均粒徑40nm)為4vol %、鉬粉和鎳粉(平均粒徑0. 5 y m)為4vol %、 余量為MgO和Y203進行配料。配制納米TiC懸浮液同實施例1。配制納米&02懸浮液同實施例1。將配制好的納米TiC懸浮液、納米&02懸浮液，與亞微米a _A1203、鉬粉和鎳粉、 MgO和Y203進行混合，超聲攪拌至均勻；在球磨機上球磨混合72小時，經(jīng)真空干燥、120目篩 過篩，得到混合均勻的原料粉末。將混合好的原料粉末裝入高強石墨模具中，采用熱壓燒結(jié)工藝，在真空熱壓燒結(jié) 爐內(nèi)燒結(jié)。在1550°C以下時，升溫速率為75 110°C /min ；在1550°C以上時，升溫速率 30 50°C /min ；在960°C保溫5min，并開始緩慢加壓，每加壓3MPa，就停止加壓，待其回落 1 2MPa后，重復(fù)上述加壓方式；在1600°C時，加壓至30Mpa ；在1732°C、壓力30MPa條件 下，保溫10分鐘，然后斷電自然冷卻至室溫。材料的力學(xué)性能為維氏硬度18. 2 19. 5GPa，抗彎強度800 910MPa，斷裂韌 性6. 9 8. IMPa. m1/2。
實施例3亞微米a-Al203 (平均粒徑0. 8iim)34. 2vol%、納米TiC(平均粒徑140nm)為 59vol %、納米Zr02 (平均粒徑40nm)為1. 9vol %、鉬粉和鎳粉(平均粒徑0. 5 u m) 4vol%, 余量為MgO和Y203進行配料。配制納米TiC懸浮液同實施例1。配制納米&02懸浮液同實施例1。球磨混合同實施例1。將混合好的原料粉末裝入高強石墨模具中，采用熱壓燒結(jié)工藝，在真空熱壓燒結(jié) 爐內(nèi)燒結(jié)。在1550°C以下時，升溫速率為75 110°C /min ；在1550°C以上時，升溫速率 30 50°C /min ；在960°C保溫5min，并開始緩慢加壓，每加壓3MPa，就停止加壓，待其回落 1 2MPa后，重復(fù)上述加壓方式；在1600°C時，加壓至30Mpa ；在1680°C、壓力30MPa條件 下，保溫10分鐘，然后斷電自然冷卻至室溫。材料的力學(xué)性能為維氏硬度19. 5 21. 3GPa，抗彎強度790 860MPa，斷裂韌 性6. 55 6. 9MPa. m1/2。
權(quán)利要求
一種氧化鋁-碳化鈦-氧化鋯納米復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征包括以下步驟(1)配料按體積百分比亞微米α-Al2O3為30～40vol％、納米TiC為50～62vol％、納米ZrO2為1～4vol％、鉬粉和鎳粉為2～7vol％、余量為MgO和Y2O3進行配料；(2)納米顆粒的分散a.將稱重后的納米TiC緩慢加入無水乙醇中，邊加入邊攪拌，配制成體積分數(shù)為2％的懸浮液，然后超聲攪拌至均勻；以聚乙二醇為分散劑，其用量為要分散納米TiC質(zhì)量的0.8％，超聲并攪拌至均勻；b.將稱重后的納米ZrO2緩慢加入無水乙醇中，邊加入邊攪拌，配制成體積分數(shù)為2％的懸浮液，然后超聲攪拌至均勻；以聚乙二醇為分散劑，其用量為要分散納米ZrO2質(zhì)量的1.4％，超聲并攪拌至均勻；(3)混料將配制好的納米TiC懸浮液、納米ZrO2懸浮液，與亞微米α-Al2O3、鉬粉和鎳粉、MgO和Y2O3進行混合，超聲攪拌至均勻；在球磨機上球磨混合，經(jīng)真空干燥、120目篩過篩，得到混合均勻的原料粉末；(4)熱壓燒結(jié)將混合好的原料粉末裝入高強度石墨模具中，采用熱壓燒結(jié)工藝，在1550℃以下時，升溫速率為75～110℃/min；在1550℃以上時，升溫速率30～50℃/min；在960℃保溫5min，并開始緩慢加壓，每加壓3MPa，就停止加壓，待其回落1～2Mpa后，重復(fù)上述加壓方式；在1600℃時，加壓至30Mpa；在1680℃～1745℃、壓力30MPa條件下，保溫10分鐘，然后斷電自然冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋁_碳化鈦_氧化鋯納米復(fù)合陶瓷材料的制備方 法，其特征是步驟(1)中亞微米a -A1203的粒徑為0. 5 0. 8 ii m、納米TiC的粒徑為100 200nm、納米&02的平均粒徑為40nm、鉬粉和鎳粉的平均粒徑為0. 5 y m ；步驟(3)中，超聲 攪拌時間25分鐘以上，球磨時間為72 100小時。
全文摘要
本發(fā)明屬材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氧化鋁-碳化鈦-氧化鋯納米復(fù)合陶瓷材料的制備方法。本發(fā)明的特征是按體積百分比亞微米α-Al2O3為30～40vol％、納米TiC為50～62vol％、納米ZrO2為1～4vol％、鉬粉和鎳粉為2～7vol％、余量為MgO和Y2O3進行配料；以聚乙二醇為分散劑，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)；在1550℃以下時，升溫速率為75～110℃/min；在1550℃以上時，升溫速率30～50℃/min。該復(fù)合材料致密度高、粒度分布均勻，具有高硬度、高強度、高斷裂韌度及耐高溫等優(yōu)良性能，適合制作加工難加工材料的刀具，特別適合制作加工低合金超高強度調(diào)質(zhì)鋼的刀具。
文檔編號C04B35/56GK101857438SQ20101018156
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者劉維民, 艾興, 趙軍 申請人:山東大學(xué)