CN101857438A - 一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属材料科学技术领域，涉及一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法。本发明的特征是：按体积百分比亚微米α-Al2O3为30～40vol％、纳米TiC为50～62vol％、纳米ZrO2为1～4vol％、钼粉和镍粉为2～7vol％、余量为MgO和Y2O3进行配料；以聚乙二醇为分散剂，采用真空热压烧结技术；在1550℃以下时，升温速率为75～110℃/min；在1550℃以上时，升温速率30～50℃/min。该复合材料致密度高、粒度分布均匀，具有高硬度、高强度、高断裂韧度及耐高温等优良性能，适合制作加工难加工材料的刀具，特别适合制作加工低合金超高强度调质钢的刀具。

Description

一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明属材料科学技术领域，特别涉及一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷具有硬度高、耐磨性高、耐热性好、化学性质稳定及成本低等优点，是制作加工难加工材料刀具的理想材料。国内外科研人员对氧化铝陶瓷材料在增韧补强方面的研究和应用取得了突破性的进展，主要的理论成果有：颗粒弥散增韧强化、相变增韧补强和晶须增韧补强。这使得氧化铝陶瓷的强度和韧性有了极大地提高，并有效地克服了氧化铝陶瓷本身具有的脆性缺陷，提高了氧化铝陶瓷的可靠性和使用寿命，拓展了其应用范围。
20世纪八十年代初，原山东工业大学的刀具材料研究组采用快速热压烧结技术制备了氧化铝-碳化钛复合陶瓷刀具材料，其抗弯强度大于900MPa、硬度为HRA93.7-94.8、断裂韧度为5.04MPa·m1/2，适用于高强度钢的半精加工和精加工(艾兴.高速切削技术和刀具材料现状与展望.世界制造技术与装备市场，2001，6(3)：32-36)，与纯氧化铝陶瓷相比其综合性能有了极大地的提高，但相对较低的断裂韧性限制了其进一步的应用范围。随着科技的发展，纳米粉末材料的出现，使用纳米粉末材料制作陶瓷刀具成为可能。研究表明，在陶瓷材料中加入纳米颗粒可以有效提高复合陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性(M.Stemitzke.Review：Structural Ceramic Nanocomposites[J].J.Eur.Ceram.Soc[J]，1997，17：1061-1082)。但是，对于纳米粉体，由于粒径小、比表面积大、化学活性高，因此，在原料制备过程中，易于团聚成尺寸较大的团聚体。纳米粉体的团聚将会使烧结体的致密度、强度、韧性等性能降低，从而影响其可靠性和寿命。现常用的分散剂有：聚乙二醇(PEG)和六偏磷酸钠。其分散效果受多种因素的影响，如粒度、比表面积、加入量、分散介质、固相含量、PH值以及超声分散的强度与时间等都直接与分散效果有关。在原料的制备过程中，需要大量的对比实验以确定分散剂对某种原料的最佳分散工艺参数。
四方氧化锆在应力诱导下发生相变(t相→m相)，其体积变大，在基体内部产生压应力，从而使陶瓷材料的断裂韧度得到提高。氧化锆的相变增韧作为陶瓷增韧的一种手段，一直受到科研人员的关注和研究。钟金豹研究了氧化铝-氧化锆-碳化钛复合陶瓷材料，其配比为：氧化铝69.5～84.5wt％、氧化锆10～25wt％、碳化钛5wt％、余量为氧化镁，制备出复合陶瓷材料的抗弯强度为556.46～904.70MPa，维氏硬度为17.43～18.10GPa，断裂韧度为4.16～4.72MPa·m1/2(钟金豹.纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具及切削性能研究[D].济南：山东大学硕士学位论文，2007)。氧化锆在发生相变时，还会使基体产生微裂纹，当基体的主裂纹扩展到微裂纹区后(邓建新，赵军.数控刀具材料选用手册.北京：机械工业出版社，2005)，会诱发许多发散的微裂纹，形成新的断裂表面，从而吸收了主裂纹扩展的能量，这也提高了陶瓷材料的断裂韧度。在常温下，氧化锆的增韧效果显著，但随着温度的升高而急剧下降，约在800℃～1000℃时，就会发生单斜相转化为四方相(m相→t相)的反向相变转化，相变增韧就失效了，这限制了氧化锆的应用范围。虽然微裂纹增韧不受温度的影响，但是微裂纹增韧的同时会造成陶瓷材料硬度的降低，因此陶瓷材料中氧化锆的含量就显得尤其重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，采用颗粒弥散增韧强化和相变增韧补强协同增韧的机制，提供一种高强度、高硬度、高韧性及耐高温的氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)配料
按体积百分比：亚微米α-Al2O3为30～40vol％、纳米TiC为50～62vol％、纳米ZrO2为1～4vol％、钼粉和镍粉为2～7vol％、余量为MgO和Y2O3进行配料；
(2)纳米颗粒的分散
a.将称重后的纳米TiC缓慢加入无水乙醇中，边加入边搅拌，配制成体积分数为2％的悬浮液，然后超声搅拌至均匀；以聚乙二醇为分散剂，其用量为要分散纳米TiC质量的0.8％，超声并搅拌至均匀；
b.将称重后的纳米ZrO2缓慢加入无水乙醇中，边加入边搅拌，配制成体积分数为2％的悬浮液，然后超声搅拌至均匀；以聚乙二醇为分散剂，其用量为要分散纳米ZrO2质量的1.4％，超声并搅拌至均匀；
(3)混料
将配制好的纳米TiC悬浮液、纳米ZrO2悬浮液，与亚微米α-Al2O3、钼粉和镍粉、MgO和Y2O3进行混合，超声搅拌至均匀；在球磨机上球磨混合，经真空干燥、120目筛过筛，得到混合均匀的原料粉末；
(4)热压烧结
将混合好的原料粉末装入高强度石墨模具中，采用热压烧结工艺，在1550℃以下时，升温速率为75～110℃/min；在1550℃以上时，升温速率30～50℃/min；在960℃保温5min，并开始缓慢加压，每加压3MPa，就停止加压，待其回落1～2MPa后，重复上述加压方式；在1600℃时，加压至30Mpa；在1680℃～1745℃、压力30MPa条件下，保温10分钟，然后断电自然冷却至室温。
上述一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征是：
步骤(1)中亚微米α-Al2O3的粒径为0.5～0.8μm、纳米TiC的粒径为100～200nm、纳米ZrO2的平均粒径为40nm、钼粉和镍粉的平均粒径为0.5μm；步骤(3)中，超声搅拌时间25分钟以上，球磨的时间为72～100小时。
通过以上步骤，可制得致密度高、粒度分布均匀、具有高硬度、高强度、高断裂韧度及耐高温的氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料。该纳米复合陶瓷材料适合制作高温及耐磨性要求较高的金属切削刀具、喷嘴等，是制作加工低合金超高强度调质钢刀具的优良材料。
具体实施方案
下面给出本发明的三个最佳实施例。
实施例1
亚微米α-Al2O3(平均粒径0.5μm)34.2vol％、纳米TiC(平均粒径140nm)为59vol％、纳米ZrO2(平均粒径40nm)为1.9vol％、钼粉和镍粉(平均粒径0.5μm)为4vol％、余量为MgO和Y2O3进行配料。
将称重后的纳米TiC缓慢加入无水乙醇中，边加入边搅拌，配制成体积分数为2％的悬浮液，然后超声搅拌至均匀；以聚乙二醇为分散剂，其用量为要分散纳米TiC质量的0.8％，超声并搅拌至均匀。
将称重后的纳米ZrO2缓慢加入无水乙醇中，边加入边搅拌，配制成体积分数为2％的悬浮液，然后超声搅拌至均匀；以聚乙二醇为分散剂，其用量为要分散纳米ZrO2质量的1.4％，超声并搅拌至均匀。
将配制好的纳米TiC悬浮液、纳米ZrO2悬浮液，与亚微米Q-Al2O3、钼粉和镍粉、MgO和Y2O3进行混合，超声搅拌至均匀；在球磨机上球磨混合100小时，经真空干燥、120目筛过筛，得到混合均匀的原料粉末。
将混合好的原料粉末装入高强石墨模具中，采用热压烧结工艺，在真空热压烧结炉内烧结。在1550℃以下时，升温速率为75～110℃/min；在1550℃以上时，升温速率30～50℃/min；在960℃保温5min，并开始缓慢加压，每加压3MPa，就停止加压，待其回落1～2MPa后，重复上述加压方式；在1600℃时，加压至30Mpa；约在1719℃、压力30MPa条件下，保温10分钟，然后断电自然冷却至室温。
材料的力学性能为：维氏硬度：19～20.8GPa，抗弯强度：800～950MPa，断裂韧性：6.7～7.3MPa.m1/2。
实施例2
亚微米Q-Al2O3(平均粒径0.5μm)34.1vol％、纳米TiC(平均粒径140nm)为57vol％、纳米ZrO2(平均粒径40nm)为4vol％、钼粉和镍粉(平均粒径0.5μm)为4vol％、余量为MgO和Y2O3进行配料。
配制纳米TiC悬浮液同实施例1。
配制纳米ZrO2悬浮液同实施例1。
将配制好的纳米TiC悬浮液、纳米ZrO2悬浮液，与亚微米α-Al2O3、钼粉和镍粉、MgO和Y2O3进行混合，超声搅拌至均匀；在球磨机上球磨混合72小时，经真空干燥、120目筛过筛，得到混合均匀的原料粉末。
将混合好的原料粉末装入高强石墨模具中，采用热压烧结工艺，在真空热压烧结炉内烧结。在1550℃以下时，升温速率为75～110℃/min；在1550℃以上时，升温速率30～50℃/min；在960℃保温5min，并开始缓慢加压，每加压3MPa，就停止加压，待其回落1～2MPa后，重复上述加压方式；在1600℃时，加压至30Mpa；在1732℃、压力30MPa条件下，保温10分钟，然后断电自然冷却至室温。
材料的力学性能为：维氏硬度：18.2～19.5GPa，抗弯强度：800～910MPa，断裂韧性：6.9～8.1MPa.m1/2。
实施例3
亚微米α-Al2O3(平均粒径0.8μm)34.2vol％、纳米TiC(平均粒径140nm)为59vol％、纳米ZrO2(平均粒径40nm)为1.9vol％、钼粉和镍粉(平均粒径0.5μm)4vol％、余量为MgO和Y2O3进行配料。
配制纳米TiC悬浮液同实施例1。
配制纳米ZrO2悬浮液同实施例1。
球磨混合同实施例1。
将混合好的原料粉末装入高强石墨模具中，采用热压烧结工艺，在真空热压烧结炉内烧结。在1550℃以下时，升温速率为75～110℃/min；在1550℃以上时，升温速率30～50℃/min；在960℃保温5min，并开始缓慢加压，每加压3MPa，就停止加压，待其回落1～2MPa后，重复上述加压方式；在1600℃时，加压至30Mpa；在1680℃、压力30MPa条件下，保温10分钟，然后断电自然冷却至室温。
材料的力学性能为：维氏硬度：19.5～21.3GPa，抗弯强度：790～860MPa，断裂韧性：6.55～6.9MPa.m1/2。

Claims (2)

1.一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征包括以下步骤：
(1)配料
按体积百分比：亚微米α-Al2O3为30～40vol％、纳米TiC为50～62vol％、纳米ZrO2为1～4vol％、钼粉和镍粉为2～7vol％、余量为MgO和Y2O3进行配料；
(2)纳米颗粒的分散
a.将称重后的纳米TiC缓慢加入无水乙醇中，边加入边搅拌，配制成体积分数为2％的悬浮液，然后超声搅拌至均匀；以聚乙二醇为分散剂，其用量为要分散纳米TiC质量的0.8％，超声并搅拌至均匀；
b.将称重后的纳米ZrO2缓慢加入无水乙醇中，边加入边搅拌，配制成体积分数为2％的悬浮液，然后超声搅拌至均匀；以聚乙二醇为分散剂，其用量为要分散纳米ZrO2质量的1.4％，超声并搅拌至均匀；
(3)混料
将配制好的纳米TiC悬浮液、纳米ZrO2悬浮液，与亚微米α-Al2O3、钼粉和镍粉、MgO和Y2O3进行混合，超声搅拌至均匀；在球磨机上球磨混合，经真空干燥、120目筛过筛，得到混合均匀的原料粉末；
(4)热压烧结
将混合好的原料粉末装入高强度石墨模具中，采用热压烧结工艺，在1550℃以下时，升温速率为75～110℃/min；在1550℃以上时，升温速率30～50℃/min；在960℃保温5min，并开始缓慢加压，每加压3MPa，就停止加压，待其回落1～2Mpa后，重复上述加压方式；在1600℃时，加压至30Mpa；在1680℃～1745℃、压力30MPa条件下，保温10分钟，然后断电自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征是：步骤(1)中亚微米α-Al2O3的粒径为0.5～0.8μm、纳米TiC的粒径为100～200nm、纳米ZrO2的平均粒径为40nm、钼粉和镍粉的平均粒径为0.5μm；步骤(3)中，超声搅拌时间25分钟以上，球磨时间为72～100小时。
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