CN100355695C

CN100355695C - 碳化铬与碳氮化钛颗粒弥散强韧化氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法

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Publication number: CN100355695C
Application number: CNB2006100685004A
Authority: CN
Inventors: 许崇海; 孙德明
Original assignee: Shandong Institute of Light Industry
Current assignee: Shandong Institute of Light Industry
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: CN1911856A

Abstract

本发明涉及一种碳化铬与碳氮化钛颗粒弥散强韧化氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法。它是以Al₂O₃陶瓷为基体，同时添加Cr₃C₂和Ti(C，N)陶瓷硬质颗粒作为弥散相，以Y₂O₃和MgO作为烧结助剂热压烧结而成。本发明的Al₂O₃基陶瓷复合材料，是由以下体积百分比的组分组成，Cr₃C₂为5～30%，Ti(C，N)为5～30%，Y₂O₃为0.2～2%，MgO为0.2～1%，其余为Al₂O₃。本发明的制备方法具有操作简单、成本低的优点。与已有多相复合陶瓷相比，本发明的复合材料具有更好的综合力学性能和优良的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化及抗热震性能，可用于制作模具、刀具、喷嘴、耐磨耐蚀零部件等。

Description

碳化铬与碳氮化钛颗粒弥散强韧化氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法，特别涉及一种碳化铬(Cr₃C₂)与碳氮化钛(Ti(C，N))颗粒弥散强韧化氧化铝(Al₂O₃)基陶瓷复合材料及其制备方法。

(二)背景技术

现代陶瓷材料以其优异的物理力学性能和使用性能，在机械、电子、航空、航天、石油、化工等诸多领域都得到了广泛的应用。但是，陶瓷材料的弱点是其本征脆性。为了改善陶瓷材料的脆性，提高其强度和韧性，众多学者已作了大量研究，而且也已取得不同程度的进展。研究表明，多相复合陶瓷材料是当前结构陶瓷材料的三大发展趋势之一，也是该领域的研究热点之一。而且，陶瓷材料向多相方向发展，为陶瓷材料设计提供了更宽的思考余地。其中，以陶瓷硬质颗粒作为弥散相增韧补强的Al₂O₃基多相复合陶瓷以其工艺简单、成本低、高温性能好等优势，在结构陶瓷材料领域得到了日益广泛的应用，材料组分主要涉及到氧化铝/碳化硅/碳化钛(Al₂O₃/SiC/TiC)、氧化铝/碳化钛/氮化硅(Al₂O₃/TiC/Si₃N₄)、氧化铝/碳化硅/碳化钨钛(Al₂O₃/SiC/(W，Ti)C)、氧化铝/碳化硅/碳氮化钛(Al₂O₃/SiC/Ti(C，N))以及氧化铝/碳化铬/碳化钨钛(Al₂O₃/Cr₃C₂/(W，Ti)C)等。但是，颗粒弥散陶瓷材料的增韧效果一直不理想，材料的断裂韧性一般均在6MPa·m¹²以下。虽有文献报道Al₂O₃/Cr₃C₂/(W，Ti)C陶瓷复合材料的断裂韧性可达8.92MPa·m^1/2，但其抗弯强度和硬度均较低，分别仅为496MPa和16.84GPa。因此，不但材料的综合力学性能有待于进一步提高，而且材料种类也有待于进一步扩展。

(三)发明内容

为了克服已有技术的不足之处，本发明提供一种碳化铬(Cr₃C₂)与碳氮化钛(Ti(C，N))颗粒弥散强韧化氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明的Al₂O₃基陶瓷复合材料，以Al₂O₃陶瓷为基体，同时添加Cr₃G₂和Ti(C，N)陶瓷硬质颗粒作为弥散相，以氧化钇(Y₂O₃)和氧化镁(MgO)作为烧结助剂热压烧结而成。

本发明的Al₂O₃基陶瓷复合材料，是由以下组分组成，Cr₃C₂为5～30％，Ti(C，N)为5～30％，Y₂O₃为0.2～2％，MgO为0.2～1％，其余为Al₂O₃，均为体积百分比。

进一步优选的，

所述弥散相Cr₃C₂的体积百分比为10～20％，

所述弥散相Ti(C，N)的体积百分比为10～20％，

所述烧结助剂Y₂O₃的体积百分比为0.4～1.5％，

所述烧结助剂MgO的体积百分比为0.5～0.8％。

优选的，上述各组分中，所用的Al₂O₃和Cr₃C₂是市售α-Al₂O₃和Cr₃C₂粉末，其纯度均大于99％，平均粒度均为1μm～2μm；所用的Ti(C，N)粉末纯度大于99％，平均粒度为0.5μm～1.5μm。

本发明的Al₂O₃基陶瓷复合材料的制备方法，步骤如下：

(1)将上述各组分原料按比例混合，以惰性气体为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，球磨20～80小时；

(2)然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在上述惰性气体气流中过筛，得到粉料，密封备用；

(3)采用热压法烧结，在热压炉中将步骤(2)所得的粉料压模烧结成型。

优选的，步骤(1)中各组分原料与硬质合金球的料球重量比为1∶8～10。

优选的，上述步骤(3)的操作如下：

先将步骤(2)所得的粉料装入石墨模具，然后进行热压烧结，保护气氛为惰性气体；热压工艺参数为：热压压力28～30MPa，热压温度1650℃～1750℃，保温时间20～45分钟。得产品碳化铬(Cr₃C₂)与碳氮化钛(Ti(C，N))颗粒弥散强韧化氧化铝基陶瓷复合材料。

优选的，上述惰性气体是氮气、氩气之一。

本发明的Al₂O₃基陶瓷复合材料，通过同时添加Cr₃C₂和Ti(C，N)两相硬质颗粒作为弥散相，同时提高材料的强度、韧性和硬度，显著改善了材料的力学性能和使用性能，而且具有制备方法简单、成本低的优点。与已有多相复合陶瓷相比，该复合材料具有更好的综合力学性能和优良的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化及抗热震性能，可用于制作模具、刀具、喷嘴、耐磨耐蚀零部件等。

(四)具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。各实施例的组分中，所用的Al₂O₃和Cr₃C₂是市售α-Al₂O₃和Cr₃C₂粉末，其纯度均大于99％，平均粒度均为1μm；所用的Ti(C，N)粉末纯度大于99％，平均粒度为0.5μm。

实施例1

本实施例的Al₂O₃基陶瓷复合材料，其各组分的体积百分比为：α-Al₂O₃ 68.7％，Cr₃C₂15％，Ti(C，N)15％，Y₂O₃0.8％，MgO0.5％。将各组分原料按上述比例混合，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1∶8，球磨80小时，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氮气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，以氮气为保护气氛进行热压烧结。热压工艺参数为：热压压力28MPa，热压温度1700℃，保温时间30分钟。然后将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度为715MPa，断裂韧性为8.58MPa·m^1/2，硬度为20.9GPa。

实施例2

本实施例的Al₂O₃基陶瓷复合材料，其各组分的体积百分比为：α-Al₂O₃73.8％，Cr₃C₂15％，Ti(C，N)10％，Y₂O₃0.4％，MgO0.8％。将各组分原料按上述比例混合，以氩气为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1∶10，球磨40小时，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氩气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，以氩气为保护气氛进行热压烧结。热压工艺参数为：热压压力28MPa，热压温度1750℃，保温时间20分钟。然后将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度为659MPa，断裂韧性为8.72MPa·m^1/2，硬度为19.8GPa。

实施例3

本实施例的Al₂O₃基陶瓷复合材料，其各组分的体积百分比为：α-Al₂O₃64％，Cr₃C₂10％，Ti(C，N)25％，Y₂O₃0.5％，MgO0.5％。将各组分原料按上述比例混合，以氩气为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1∶8，球磨60小时，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氩气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，以氩气为保护气氛进行热压烧结。热压工艺参数为：热压压力30MPa，热压温度1680℃，保温时间45分钟。然后将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度为701MPa，断裂韧性为7.87MPa·m^1/2，硬度为21.1GPa。

实施例4

本实施例的Al₂O₃基陶瓷复合材料，其各组分的体积百分比为：α-Al₂O₃63.3％，Cr₃C₂20％，Ti(C，N)15％，Y₂O₃1.5％，MgO0.2％。将各组分原料按上述比例混合，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，以硬质合金球为研磨体，料球重量比为1∶9，球磨50小时，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氮气流中过筛，然后将粉料装入石墨模具，以氮气为保护气氛进行热压烧结。热压工艺参数为：热压压力30MPa，热压温度1700℃，保温时间45分钟。然后将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度为647MPa，断裂韧性为9.23MPa·m^1/2，硬度为22.3GPa。

Claims

1.一种氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于，以Al₂O₃陶瓷为基体，同时添加Cr₃C₂和Ti(C，N)陶瓷硬质颗粒作为弥散相，以Y₂O₃和MgO作为烧结助剂热压烧结而成；组分如下：

Cr₃C₂为5～30％，Ti(C，N)为5～30％，Y₂O₃为0.2～2％，MgO为0.2～1％，其余为Al₂O₃，均为体积百分比。

2.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于，所述弥散相Cr₃C₂的体积百分比为10～20％。

3.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于，所述弥散相Ti(C，N)的体积百分比为10～20％。

4.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于，所述烧结助剂Y₂O₃的体积百分比为0.4～1.5％。

5.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于，所述烧结助剂MgO的体积百分比为0.5～0.8％。

6.一种权利要求1所述的氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，步骤如下：

(2)然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在上述惰性气体气流中过筛，然后密封备用；

7.根据权利要求6所述的氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中各组分原料与硬质合金球的料球重量比为1∶8～10。

8.根据权利要求6所述的氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)的工艺如下：

先将步骤(2)所得的粉料装入石墨模具，然后进行热压烧结，保护气氛为惰性气体；热压工艺参数为：热压压力28～30MPa，热压温度1650℃～1750℃，保温时间20～45分钟，得产品碳化铬与碳氮化钛颗粒弥散强韧化氧化铝基陶瓷复合材料。

9.根据权利要求6所述的氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气体是氮气、氩气之一。