CN100586896C

CN100586896C - 氧化铝－碳氮化钛－钛镍复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN100586896C
Application number: CN200810010648A
Authority: CN
Inventors: 修稚萌; 孙旭东; 李晓东; 霍地; 李继光; 李乾; 王亚蓉; 茹红强; 左良
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: CN101239814A

Abstract

本发明涉及氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料及其制备方法，复合材料组成的体积百分数为：Al₂O₃：60～94，Ti(C_1-X，N_X)：5～35，Ti+Ni：1～12；制备工艺步骤：第一步是原料混合和干燥：(1)将原料Al₂O₃粉末和TiCN粉末与球磨介质、表面活性剂混合、球磨、干燥；(2)将原料Ti粉末和Ni粉末与球磨介质混合、球磨干燥，钛与镍原子配比为1∶1～1∶4；(3)将步骤(1)和(2)混合干燥后的粉末，加入球磨介质混合、球磨、干燥，Ti和Ni粉末加入量为1～12vol%，第二步是粉末成形与烧结：将步骤(3)处理后的混合粉末加入热压炉中，在氩气气氛、温度为1400～1700℃，压力为25～35MPa下热压成形。本发明优点是：材料综合性能硬度、强度和韧性明显提高，更适合机械工业用的刀具材料。

Description

氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法，具体涉及一种氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料及其制备方法。

背景技术

随着高、新技术的发展，机械加工业对刀具材料提出了更为严格而苛刻的要求。例如加工硬度更高的材料、更高的切削效率、精加工和实现无人操作等，这就要求提高刀具材料的强度、韧性、耐磨和耐热冲击性等。氧化铝陶瓷材料具有高熔点、高压缩强度和抗腐蚀性等特点，但由于Al₂O₃陶瓷材料脆大、抗拉强度低和耐冲击力差，所以作为刀具材料，要在实际中广泛应用，必须提高材料的机械性能。多年来各国相继提出多种增韧补强方法和先进的工艺技术。在陶瓷材料中添加增强相如：TiN、Ti(C，N)、TiB₂、SiC、(W，Ti)C、WC、Mo₂C、ZrO₂、Y₂O₃等成分，利用第二相、第三相材料进行颗粒弥散强化、纤维补强、晶须增韧、相变增韧或协同增韧补强提高陶瓷材料的性能。中国专利CN1911856A(公开日2007年2月14日)提供了一种碳化铬与碳氮化钛弥散强韧化氧化铝基复合材料及其制备方法。其组分的体积百分比为：5～30％Cr₃C₂，5～30％Ti(C，N)，0.2～2％Y₂O₃，0.2～1％MgO，其余为Al₂O₃。目的是通过Cr₃C₂和Ti(C，N)的作用同时提高材料的硬度。

发明内容

本发明目的是针对氧化铝/碳氮化钛(Al₂O₃/Ti(C，N))复合材料存在的缺陷，研制一种氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料及其制备方法，提高陶瓷复合材料的综合性能，硬度、强度和韧性，进一步提供一种更适合机械工业用的刀具材料。

本发明研制的氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料组分体积百分数为：Al₂O₃：60～94，Ti(C_1-xN_x)：5～35，其中X＝0.3-0.7，Ti+Ni：1～12，钛与镍原子配比为1∶1-1∶4。复合材料的综合性能为硬度HV为20～21GPa，强度为600～800MPa，断裂韧性7～9MPa·m^1/2。

本发明上述复合材料的制备方法，按如下步骤进行：

原料混合和干燥：

(1)将原料Al₂O₃粉末和Ti(C_1-xN_x)粉末混合称为A混合粉末，与球磨介质、表面活性剂混合、球磨，其原料配比是：Al₂O₃粉末为60～94vol％，Ti(C_1-XN_X)粉末为5～35vol％，其中X＝0.3～0.7，表面活化剂加入量为原料Al₂O₃粉末和TiCN粉末总量的0～3vol％，球磨时间为12～24小时；球磨后的物料加入烘箱，在温度为60℃或120℃下，干燥24～48小时；

(2)将原料Ti粉末和Ni粉末混合称为B混合粉末与球磨介质混合、球磨、钛与镍原子配比为1∶1～1∶4，球磨时间12～24小时，然后放入真空烘箱内，在温度为60℃下干燥24～48小时；

(3)将步骤(1)和(2)混合干燥后的粉末，加入球磨介质混匀后，球磨12～24小时，然后放入真空烘箱内，在60℃干燥24～48小时，B混合粉末加入量为A和B两种混合粉末总量的1～12vol％，余量为A混合粉末；

粉末成形与烧结：

将步骤(3)处理后的混合粉末于热压炉中，在氩气保护下，温度为1400～1700℃，压力为25～35MPa下热压5～30分钟。

本发明采用的原料：Al₂O₃粉末：粒度d₅₀为0.1～10μm，纯度Al₂O₃含量＞99.9％；Ti(C_1-XN_X)：粒度d₅₀为0.1～10μm，含量＞99.9％，其中X＝0.3～0.7；Ti粉末：粒度d₅₀为0.1～10μm，纯度Ti含量＞99.9％；Ni粉末：粒度d₅₀为0.1～10μm，纯度含量＞99.9％。

所述的表面活性剂选用聚羧酸乙脂，球磨介质选用无水乙醇或去离子水。

上述步骤(2)或步骤(3)中混合、球磨后的粉末放入烘箱内真空干燥，真空度均为1×10^-1MPa。

本发明具有的优点和产生的积极效果是：本发明以氧化铝/碳化钛即Al₂O₃/Ti(C_1-xN_x)复合材料为基体，通过添加NiTi提高刀具材料的强度和韧性是本发明的特点。在陶瓷中加入Ni和Ti，金属都可以通过颗粒增韧方式改善材料韧性，而且在一定条件下Ni和Ti将会生成金属间化合物NiTi、Ti₂Ni及TiNi₃并在烧结中形成液相，这对降低复合材料的烧结温度，抑制高温烧结时Ti(C_1-xN_x)的分解、促进材料的烧结致密化是非常有益的。另外本发明在粉末混合过程中还加入表面活性剂聚羧酸乙脂可以有效地提高Al₂O₃/Ti(C_1-xN_x)粉末混合的均匀性，减少粉末的团聚，提高材料的密度和机械性能。

上述经过本发明制取的复合材料综合性能达到：硬度Hv为20～21GPa，强度为600～800MPa，断裂韧性为7～10MPa·m^1/2，完全能满足机械加工刀具材料的性能要求。

具体实施方式

实施例1(Al₂O₃-5vol％TiC_0.5N_0.5)-1vol％(Ti+Ni)复合材料的制备和性能

在Al₂O₃粉末(粒度d₅₀为0.1μm，纯度＞99.90％)中加入体积百分为5的TiC_0.5N_0.5粉末(粒度d₅₀为0.1μm，纯度＞99.90％)，以无水乙醇为球磨介质，氧化铝球为磨球，球磨12小时，然后放入60℃烘箱内干燥24小时，得到Al₂O₃-5vol％TiC_0.5N_0.5混合粉末。将Ti粉和Ni粉按原子比1∶1的比例混合，以无水乙醇为球磨介质，不锈钢球为磨球，球磨12小时，然后放入60℃真空烘箱内干燥48小时，真空度为1×10^-1MPa，得到Ti-Ni混合粉末。在混合好的Al₂O₃-5vol％TiC_0.5N_0.5混合粉末中加入体积百分为1的混合好的Ti-Ni混合粉末，以无水乙醇为球磨介质，不锈钢球为磨球，球磨12小时，然后放入60℃真空烘箱内干燥24小时，真空度为1×10^-1MPa。将混合好的粉末在热压炉内热压。热压温度为1700℃、烧结压力为35MPa热压时间30min，热压气氛为氩气。采用Vickers压痕硬度法测定材料硬度(Hv)；采用三点弯曲强度试验检测了材料的强度；采用单边缺口梁法(SENB)检测了材料的断裂韧性；采用扫描电镜(SEM)检测了材料的显微组织和断口。材料性能的检测结果为：硬度(Hv)20GPa，三点抗弯强度600MPa，断裂韧性7.1MPa·m^1/2。

实施例2

本实施例氧化铝基复合材料的组分为(Al₂O₃-25vol％TiC_0.3N_0.7)-8vol％(Ti+Ni)在Al₂O₃粉末(粒度d₅₀为0.5μm，纯度＞99.9％)中加入体积百分为25的TiC_0.3N_0.7粉末(粒度d₅₀为0.3μm，纯度＞99.9％)，以去离子水为球磨介质，氧化铝球为磨球，球磨20小时，然后放入120℃烘箱内干燥48小时，得到Al₂O₃-5vol％TiC_0.5N_0.5混合粉末。将Ti粉(粒度d₅₀为0.5μm，纯度＞99.9％)和Ni粉(粒度d₅₀为0.5μm，纯度＞99.9％)按原子比1∶2的比例混合，以无水乙醇为球磨介质，不锈钢球为磨球，球磨24小时，然后放入60℃真空烘箱内干燥24小时，真空度为1×10^-1MPa，得到Ti-Ni混合粉末。在混合好的Al₂O₃-25vol％TiC_0.5N_0.5混合粉末中加入体积百分为8的混合好的Ti-Ni混合粉末，以无水乙醇为球磨介质，不锈钢球为磨球，球磨24小时，然后放入60℃真空烘箱内干燥36小时。将混合好的粉末在热压炉内热压。热压温度为1500℃、烧结压力为30MPa热压时间15min，热压气氛为氩气。热压后材料性能的检测结果为：硬度(Hv)20GPa，三点抗弯强度716MPa，断裂韧性9.1MPa·m^1/2。

实施例3

本实施例氧化铝基复合材料的组分为(Al₂O₃-35vol％TiC_0.3N_0.7)-12vol％(Ti+Ni)在Al₂O₃粉末(粒度d₅₀为3μm，纯度＞99.9％)中加入体积百分为35的TiC_0.5N_0.5粉末(粒度d₅₀为3μm，纯度＞99.9％)，Al₂O₃-35vol％TiC_0.3N_0.7混合粉的制备如例1所述。将Ti粉(粒度d₅₀为2μm，纯度＞99.9％)和Ni粉(粒度d₅₀为2μm，纯度＞99.9％)按原子比1∶4比例混合，混合粉的制备如例1所述。在混合好的Al₂O₃-35vol％TiC_0.3N_0.7混合粉末中加入体积百分为12的混合好的Ti-Ni混合粉末，以无水乙醇为球磨介质，不锈钢球为磨球，球磨18小时，然后放入60℃真空烘箱内干燥24小时，真空度为1×10^-1MPa。将混合好的粉末在热压炉内热压。热压温度为1550℃、烧结压力为30MPa热压时间10min，热压气氛为氩气。热压后材料性能的检测结果为：硬度(Hv)21GPa，三点抗弯强度816MPa，断裂韧性9.8MPa·m^1/2。

实施例4

本实施例氧化铝基复合材料的组分为(Al₂O₃-25vol％TiC_0.3N_0.7)-10vol％(Ti+Ni)在Al₂O₃粉末(粒度d₅₀10μm，纯度＞99.9％)中加入体积百分为25的TiC_0.3N_0.7粉末(粒度d₅₀8μm，纯度＞99.9％)，Al₂O₃-25vol％TiC_0.3N_0.7混合粉的制备如例2所述。将Ti粉(粒度d₅₀为8μm，纯度＞99.9％)和Ni粉(粒度d₅₀为8μm，纯度＞99.9％)按原子比1∶3比例混合，混合粉的制备如例1所述。在混合好的Al₂O₃-25vol％TiC_0.3N_0.7混合粉末中加入体积百分为10的混合好的Ti-Ni混合粉末，以无水乙醇为球磨介质，不锈钢球为磨球，球磨24小时，然后放入60℃真空烘箱内干燥48小时，真空度为1×10^-1MPa。将混合好的粉末在热压炉内热压。热压温度为1400℃、烧结压力为25MPa热压时间5min，热压气氛为氩气。热压后材料性能的检测结果为：硬度(Hv)21GPa，三点抗弯强度806MPa，断裂韧性8.8MPa·m^1/2。

Claims

1、一种氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料，其特征在于组成成分体积百分数为：Al₂O₃：60～94，Ti(C_1-xN_x)：5～35，其中X＝0.3-0.7，Ti+Ni：1～12，钛与镍原子配比为1∶1-1∶4。

2、按照权利要求1所述的氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：

原料混合和干燥：

(1)将原料Al₂O₃粉末和Ti(C_1-xN_x)粉末混合称为A混合粉末，与球磨介质、表面活性剂混合、球磨，其原料配比是：Al₂O₃粉末为60～94vol％，Ti(C_1-XN_X)粉末为5～35vol％，其中X＝0.3～0.7，表面活化剂加入量为原料Al₂O₃粉末和Ti(C_1-xN_x)粉末总量的0～3vol％，球磨时间为12～24小时；球磨后的物料加入烘箱，在温度为60℃或120℃下，干燥24～48小时；

粉末成形与烧结：

将步骤(3)处理后的混合粉末加入热压炉中，在氩气保护下，温度为1400～1700℃，压力为25～35MPa下热压5～30分钟。

3、按照权利要求2所述的氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料的制备方法，其特征在于所述的表面活性剂选用聚羧酸乙脂，球磨介质选用无水乙醇或去离子水。

4、按照权利要求2所述的氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料的制备方法，其特征在于步骤(2)或步骤(3)中混合后的粉末放入烘箱内真空下干燥，真空度均为1×10^-1MPa。

5、按照权利要求2所述的氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料的制备方法，其特征在于原料Al₂O₃粉末：粒度d₅₀为0.1～10μm，纯度Al₂O₃含量＞99.9％；Ti(C_1-XN_X)：粒度d₅₀为0.1～10μm，含量＞99.9％，其中X＝0.3～0.7；Ti粉末：粒度d₅₀为0.1～10μm，纯度Ti含量＞99.9％；Ni粉末：粒度d₅₀为0.1～10μm，纯度含量＞99.9％。