CN104561726A

CN104561726A - 一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法

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Publication number: CN104561726A
Application number: CN201410851155.6A
Authority: CN
Inventors: 伍尚华; 陈健; 弓满锋; 张凤林; 周玉梅; 李鹏程; 白坤
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN104561726B

Abstract

本发明涉及陶瓷制备技术领域，具体为一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法。本发明通过添加Ni₃Al混合粉体，由AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体按一定的比例组成复合原料，可改进铝镁硼陶瓷的断裂韧性。尤其是在Ni₃Al中配合添加一定量的Cr、Zr、Y、V和B，对Ni₃Al进行改性，可显著提高最终制得的陶瓷材料的断裂韧性。通过使硼粉先经高温热处理再与铝粉、镁粉混合，然后经高压加热制得AlMgB₁₄预反应粉，配合该工艺可进一步提高铝镁硼陶瓷的性能。本发明制备方法的工艺简单易行，所制备的铝镁硼陶瓷断裂韧性好、强度高、致密性好、高温性能好。

Description

一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法。

背景技术

研究发现，通过掺杂工艺，AlMgB₁₄能够由绝缘材料变成导电材料，从而使得复杂形状的结构可以通过电火花加工而获得，而且AlMgB₁₄和钢之间具有超低的摩擦系数，可以减少材料的磨损，提高设备的能源效率和零件的使用寿命。因此，高硬度、导电性、超低的摩擦系数这些优异的性能使得AlMgB₁₄有望成为新型的陶瓷刀具材料。然而，目前AlMgB₁₄的断裂韧性很低(3.0-4.1MPm^1/2)，众所周知，低断裂韧性的陶瓷材料是无法在金属切削刀具上得到应用的。因此，需要改善AlMgB₁₄陶瓷材料的断裂韧性。

发明内容

本发明针对现有AlMgB₁₄的断裂韧性低的问题，将采用晶须增韧、复合第二相增韧和裂纹搭桥增韧的方法，使用Ni₃Al金属间化合物作为一种增韧相，大幅增加AlMgB₁₄的断裂韧性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种高韧性铝镁硼陶瓷，由复合原料制成，所述复合原料包括以下质量百分比的各组分：80-95％的AlMgB₁₄预反应粉，5-20％的Ni₃Al混合粉体。

优选的，所述的复合原料中各组分的质量百分比为：80-90％的AlMgB₁₄

预反应粉，10-20％的Ni₃Al混合粉体。更优选的，所述的复合原料中各组分的质量百分比为：90％的AlMgB₁₄预反应粉，10％的Ni₃Al混合粉体。

上述AlMgB₁₄预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后在20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却并研磨后制得。

上述Ni₃Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B，余量为Ni。优选的，Ni₃Al混合粉体中各组分的质量百分比为：19.7％的Al，9.2％的Cr，0.62％的Zr，0.62％的Y，0.62％的V，0.99％的B，余量为Ni。

优选的，制备AlMgB₁₄预反应粉所用的硼粉经真空加热至1500℃并保温2h处理。

优选的，所述铝粉的粒径为1-2μm，镁粉的粒径为60-80μm，硼粉的粒径为2-5μm。

以上所述高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

S1混料：将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物，然后将混合物置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄研磨后得到AlMgB₁₄预反应粉；接着按比例将AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体混合均匀，得复合原料。优选的，所得复合原料过80-200目筛。

优选的，先将制备AlMgB₁₄预反应粉所用的硼粉置于1×10^-3Pa的真空炉中，由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉冷却至室温；接着再将硼

粉、镁粉和铝粉按比例混合。

优选的，先将混合物置于球磨机中球磨10h，然后将混合物装入模具中并冷压成生坯，所述生坯的密度为理论密度的60％；接着将生坯置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄研磨后得到AlMgB₁₄预反应粉。

优选的，所述的Ni₃Al混合粉体由以下步骤制得：将19-20％的Al，8.0-8.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B和余量的Ni混合，得混合粉体；然后在惰性气体的气氛下球磨混合粉体50h，得Ni₃Al混合粉体。所用的研磨球是直径为10mm的硬质合金球，球料比为10:1。

S2球磨：将复合原料置于球磨机中，以200-360r/min的速度球磨6-10h。优选的，所述球磨机中，研磨球与复合原料的质量比为14-16:1。

S3热压烧结：将复合原料装入模具中并将模具置于烧结炉中，以10-30℃/min的速度升温至1450-1750℃，保温0.5-2h，压力为30MPa，然后停止加热并随烧结炉冷却至室温，得陶瓷材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过添加Ni₃Al混合粉体，由AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体按一定的比例组成复合原料，可改进铝镁硼陶瓷的断裂韧性。尤其是在Ni₃Al中配合添加一定量的Cr、Zr、Y、V和B，对Ni₃Al进行改性，可显著提高最终制得的陶瓷材料的断裂韧性。通过使硼粉先经高温热处理再与铝粉、镁粉混合，然后经高压加热制得AlMgB₁₄预反应粉，配合该工艺可进一步提高铝镁硼陶瓷的性能。本发明制备方法的工艺简单易行，所制备的铝镁硼陶瓷断裂韧性好、强度高、致密性

好、高温性能好。

附图说明

图1为实施例6中的陶瓷材料(10wt.％Ni₃Al混合粉体)的XRD图；

图2为实施例6中的陶瓷材料(10wt.％Ni₃Al混合粉体)的断面SEM图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步介绍和说明。

实施例1-9

实施例1-9和对比例1-3中的铝镁硼陶瓷分别由下表1中所示的各物质及质量百分比制成。

表1实施例1-9和对比例1-3制备铝镁硼陶瓷的各组分及质量百分比

	AlMgB₁₄预反应粉	Ni₃Al混合粉体
			实施例1	80％	20％
实施例2	82％	18％
			实施例3	84％	16％
实施例4	86％	14％
			实施例5	88％	12％
实施例6	90％	10％
			实施例7	92％	8％
实施例8	94％	6％
			实施例9	95％	5％
对比例1	75％	25％
			对比例2	98％	2％
对比例3	100％	0

表1中，AlMgB₁₄预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后经高压加热制得；其中，铝粉的纯度为99.95％，粒径

为1-2μm；镁粉的纯度为99.99％，粒径为60-80μm；硼粉的纯度为99.5％，粒径为2-5μm。Ni₃Al混合粉体由19.7wt.％的Al，9.2wt.％的Cr，0.62wt.％的Zr，0.62wt.％的Y，0.62wt.％的V，0.99wt.％的B，68.25wt.％的Ni混合后球磨制得。

上述实施例和对比例中的AlMgB₁₄预反应粉、Ni₃Al混合粉体、铝镁硼陶瓷按以下方法制备：

(1)AlMgB₁₄预反应粉

将硼粉(用于制备AlMgB₁₄预反应粉)置于1×10^-3Pa的真空炉中，由室温以20℃/min的升温速度加热至1200℃，然后继续加热至1500℃并保温2h，接着停止加热，使硼粉随炉冷却至室温。在手套箱内及氩气保护的条件下，将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物。然后将混合物置于行星式球磨机(DQM-0.4L)中球磨10h，接着将混合物装入内径为20mm的圆柱形模具中，冷压成厚度为2mm的生坯，生坯的密度为理论密度的60％。

将生坯置于20MPa下以20℃/min的升温速度由室温加热至1200℃，然后以5℃/min的升温速度继续加热至1400℃并保温90min，随炉冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄粉碎后得到AlMgB₁₄预反应粉。备用。

(2)Ni₃Al混合粉体

将19.7wt.％的Al，9.2wt.％的Cr，0.62wt.％的Zr，0.62wt.％的Y，0.62wt.％的V，0.99wt.％的B，68.25wt.％的Ni混合到一起，得混合粉体；然后将混合粉体置于球磨机中，在氩气的气氛下进行球磨50h，研磨球是直径为10mm的硬质合金球，球料比为10:1。球磨后制得Ni₃Al混合粉体。备用。

(3)复合原料

实施例1-9和对比例1-2的复合原料

分别将AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体置于真空条件下干燥24h，然后向AlMgB₁₄预反应粉中按比例加入Ni₃Al混合粉体，混合均匀并过100目筛，分别制得实施例1-9和对比例1-2的复合原料。

对比例3的复合原料

将AlMgB₁₄预反应粉置于真空条件下干燥24h，然后将AlMgB₁₄预反应粉过100目筛，制得对比例3中的复合原料。

(4)球磨

常温下，将复合原料置于球磨机中，球磨机中的研磨球与复合原料的质量比为14-16:1，以300r/min的速度球磨10h。

(5)热压烧结

常压下，将经步骤2加工的复合原料装入模具中并将模具置于烧结炉中，以15℃/min的速度升温，升温至1200℃后加压至30MPa并持续加热至1700℃，保温1h并保持压力为30MPa，然后停止加热并卸压，烧结炉内经烧结的材料随烧结炉冷却至室温，得铝镁硼陶瓷。

分别测定实施例1-9及对比例1-2制备的铝镁硼陶瓷的相对密度、断裂韧性和强度，测试结果如下表2所示。

表2实施例1-9和对比例1-2制备的铝镁硼陶瓷的性能测试结果

	相对密度	断裂韧性	硬度
				实施例1	99.5％	7.5MPa·m^1/2	33.3GPa
实施例2	99.6％	7.1MPa·m^1/2	33.1GPa
				实施例3	99.7％	7.7MPa·m^1/2	32.7GPa
实施例4	99.8％	8.2MPa·m^1/2	31.3GPa

实施例5	99.6％	7.9MPa·m^1/2	34.2GPa
				实施例6	99.7％	8.1MPa·m^1/2	35.5GPa
实施例7	99.4％	6.9MPa·m^1/2	34.8GPa
				实施例8	99.6％	7.1MPa·m^1/2	32.1GPa
实施例9	99.7％	6.8MPa·m^1/2	31.8GPa
				对比例1	99.0％	4.9MPa·m^1/2	23.7GPa
对比例2	99.2％	3.8MPa·m^1/2	27.2GPa
				对比例3	99.3％	3.9MPa·m^1/2	28.3GPa

表2中的相对密度是指相对于理论密度。

实施例6制备的具有高断裂韧性的镁铝硼陶瓷的XRD图如图1所示，SEM图如2所示。

在其它实施方案中，步骤3中的复合原料还可以用80-100目的筛进行筛分；生坯还可加热至1350-1450℃并保温90min；步骤4中，复合原料还可以在200-360r/min的速度下球磨6h-10h；步骤5中的热压烧结还可以是以10-30℃/min的速度升温至1450-1750℃并保温0.5-2h，然后再冷却。

实施例10-28

制备实施例10-28中的铝镁硼陶瓷所用的AlMgB₁₄预反应粉与上述实施例6的相同，AlMgB₁₄预反应粉与Ni₃Al混合粉体的质量比为9:1，并且镁铝硼陶瓷的制备方法也与上述实施例6的制备方法相同。实施例10-28与上述实施例6相比，不同之处在于Ni₃Al混合粉体的组成不同。具体如下表3所示。

表3实施例10-28中Ni₃Al混合粉体的各组分及质量百分比

分别测定实施例10-28制备的铝镁硼陶瓷的相对密度、断裂韧性和强度，测试结果如下表4所示。

表4实施例10-28制备的铝镁硼陶瓷的性能测试结果

	相对密度	断裂韧性	硬度
				实施例6	99.7％	7.5MPa·m^1/2	35.5GPa
实施例10	99.1％	5.0MPa·m^1/2	20.8GPa
				实施例11	99.5％	7.1MPa·m^1/2	33.4GPa
实施例12	99.7％	7.7MPa·m^1/2	33.9GPa
				实施例13	99.3％	4.4MPa·m^1/2	21.0GPa
实施例14	99.4％	4.1MPa·m^1/2	20.7GPa
				实施例15	99.4％	7.4MPa·m^1/2	32.7GPa
实施例16	99.6％	7.9MPa·m^1/2	33.1GPa
				实施例17	99.5％	4.3MPa·m^1/2	20.9GPa
实施例18	99.2％	4.5MPa·m^1/2	20.2GPa
				实施例19	99.7％	7.6MPa·m^1/2	34.2GPa
实施例20	99.6％	6.7MPa·m^1/2	35.0GPa
				实施例21	99.3％	4.2MPa·m^1/2	21.5GPa
实施例22	99.4％	7.1MPa·m^1/2	34.8GPa
				实施例23	99.5％	6.8MPa·m^1/2	34.1GPa

实施例24	99.7％	6.5MPa·m^1/2	33.4GPa
				实施例25	99.4％	6.3MPa·m^1/2	32.9GPa
实施例26	99.6％	7.4MPa·m^1/2	33.9GPa
				实施例27	99.4％	7.5MPa·m^1/2	35.8GPa
实施例28	99.3％	5.7MPa·m^1/2	23.1GPa

对比例4

本对比例提供的一种镁铝硼陶瓷的制备方法，制备镁铝硼陶瓷的复合原料及制作方法与上述实施例6的基本相同，不同之处在于：在制备AlMgB₁₄预反应粉时，硼粉不经高温处理(即不经过由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉冷却至室温)，而是直接将硼粉、铝粉和镁粉按比例混合，然后如实施例6所述置于球磨机中球磨10小时，再冷压成生坯，接着在高温高压下将生坯制成AlMgB₁₄预反应粉。

然后，如实施例6的方法制得复合原料，并依次进行球磨和热压烧结操作，制得镁铝硼陶瓷。

对比例4制得的镁铝硼陶瓷的相对密度为99.1％，断裂韧性为9.8MPa·m^1/2，硬度为19.7GPa。

以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims

1.一种高韧性铝镁硼陶瓷，由复合原料制成，其特征在于，所述复合原料包括以下质量百分比的各组分：80-95％的AlMgB₁₄预反应粉，5-20％的Ni₃Al混合粉体；

所述AlMgB₁₄预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后在20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却并研磨后制得。

2.根据权利要求1所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述Ni₃Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B，余量为Ni。

3.根据权利要求2所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述Ni₃Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19.7％的Al，9.2％的Cr，0.62％的Zr，0.62％的Y，0.62％的V，0.99％的B，余量为Ni。

4.根据权利要求1或2所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述复合原料包括以下质量百分比的各组分：80-90％的AlMgB₁₄预反应粉，20-10％的Ni₃Al混合粉体。

5.根据权利要求4所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述用于制备AlMgB₁₄预反应粉的硼粉经真空加热至1500℃并保温2h处理。

6.根据权利要求5所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述铝粉的粒径为1-2μm，镁粉的粒径为60-80μm，硼粉的粒径为2-5μm。

7.一种如权利要求1所述高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1混料：将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物，然后将混合物置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄研磨后得到AlMgB₁₄预反应粉；接着按比例将AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体混合均匀，得复合原料；

S2球磨：将复合原料置于球磨机中，以200-360r/min的速度球磨6h-10h；

8.根据权利要求7所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将混合物置于球磨机中球磨10h，然后将混合物装入模具中并冷压成生坯，所述生坯的密度为理论密度的60％；接着将生坯置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄粉碎后得到AlMgB₁₄预反应粉。

9.根据权利要求8所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中，先将用于制备AlMgB₁₄预反应粉的硼粉置于1×10^-3Pa的真空炉中，由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉降温至室温；接着再将硼粉、镁粉和铝粉按比例混合。

10.根据权利要求7所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的Ni₃Al混合粉体由以下步骤制得：将19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B和余量的Ni混合在一起，得混合粉体；在惰性气氛下球磨混合粉体50h，得Ni₃Al混合粉体。