CN101565309B - 能提高后期硬度的可加工Al-BN复合陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能提高后期硬度的可加工Al-BN复合陶瓷的制备方法，在BN复相陶瓷中添加铝或钛等活性金属，通过一次烧结获得致密烧结体，此时材料硬度低，能够方便地采用普通机械切削方法加工出不同形状的制品；然后对制品进行二次热处理，BN和铝(钛)发生原位生成新的硬质陶瓷相，从而大幅度提高最终产品的硬度。该法工艺流程简单易行，所需烧结时间短。并且很好地解决了陶瓷的可加工性与硬度的矛盾，既保证了陶瓷的可加工性能，又使陶瓷的优良特性硬度得以保持。

Description

能提高后期硬度的可加工Al-BN复合陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及一种可加工陶瓷制备方法，特别涉及通过后期硬化处理硬度得以提高的可加工BN复相陶瓷制备方法。

背景技术

可加工陶瓷通常是指在传统切削加工技术的工艺条件下，材料的去除率和表面粗糙度都能满足一定工程使用要求的陶瓷材料。由于使用传统的金属加工工艺，所以用较低的加工费用即可得到形状复杂、尺寸精密的陶瓷零件，因而在很多领域有着十分广泛的应用前景。通常用可加工指数(M)来表征陶瓷材料的可加工性能：其要求低硬度和高断裂韧性。

目前可加工陶瓷种类很多，如云母玻璃陶瓷、具有弱界面的复相陶瓷(h-BN，石墨)、稀土磷酸盐系复相陶瓷(LaPO4)、可加工多孔陶瓷等。为了满足材料的可加工性，上述可加工陶瓷不可避免地牺牲了陶瓷材料的优良特性---硬度。例如，云母玻璃陶瓷的硬度约为3GPa，h-BN系弱界面复相陶瓷的硬度仅有1.96GPa，而LaPO4磷酸盐系陶瓷的也不过为5.5GPa，而多孔陶瓷的硬度难以有效保证，并且硬度和强度随着孔隙率的增加而成指数下降。随着加工性能的提高，可加工陶瓷的硬度却随之下降，即可加工性和硬度是一对矛盾体。高硬度以及由此带来的耐磨损等许多性能是陶瓷材料的独特优势，但在现有的可加工陶瓷身上无法体现陶瓷材料的上述优势，低硬度的可加工陶瓷很大程度地限制了陶瓷在航空航天、军工、核能、机械、冶金等领域特别是服役环境下的应用。

陶瓷材料的硬度与其硬质相的含量多少有关，仅仅通过单纯改变材料的显微结构来提高可加工陶瓷的硬度是不可能的。因此，寻找一种新的工艺路线---制备加工性良好且硬度可以提高的复相陶瓷是本发明的创新点。本发明借鉴金属材料热处理后硬度提高的特点，设计和制备加工性能良好并且通过后期硬化处理的可加工陶瓷，对于可加工陶瓷的推广应用很有意义，而在目前公开的文献中尚未见到相关报道及相关专利。

发明内容

本发明针对现有可加工陶瓷硬度普遍不高的缺点，提出了一种能够通过二次热处理显著提高硬度的可加工Al-BN复合陶瓷的制备方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种能提高后期硬度的可加工Al-BN复合陶瓷的制备方法，包括下述步骤：

(1)以Al、h-BN为原材料，按Al与h-BN的质量比为4∶1至5∶2，采用湿磨法混合均匀；

(2)将混合料放入石墨模具中，进行等离子活化快速一次烧结，烧结温度为400-600℃；

(3)烧结试样脱模后进行常规金属加工成所需要的形状；

(4)将加工好的一次烧结试样放入真空炉中，在N₂气保护下于850-950℃二次反应热处理0.5-1.5h。

上述方案中，所述Al为Ti所取代。所述等离子活化快速一次烧结的工艺参数为：升温速率200℃/min，压力40MPa，真空度10Pa，保温不超过3min。所述二次反应热处理的升温速率为5℃/min。

本发明在BN复相陶瓷中添加铝或钛等活性金属，通过一次烧结获得致密烧结体，此时材料硬度低，能够方便地采用普通机械切削方法加工出不同形状的制品；然后对制品进行二次热处理，BN和铝(钛)发生原位生成新的硬质陶瓷相，从而大幅度提高最终产品的硬度。该法工艺流程简单易行，所需烧结时间短。并且很好地解决了陶瓷的可加工性与硬度的矛盾，既保证了陶瓷的可加工性能，又使陶瓷的优良特性硬度得以保持。

对一次烧结及二次热处理后的陶瓷材料进行了维氏硬度测试，其结果表明，采用本发明方法制备的复相可加工陶瓷二次热处理后硬度大大提高，如h-BN/Al复合材料，硬度由一次烧结后的0.67GPa提高到3.1GPa；h-BN/Al/SiC复相陶瓷，硬度由一次烧结后的2.8GPa提高到16.3GPa，硬度上升了8倍之多。

此外，本发明的制备方法还具有以下优点：(1)由于等离子活化一次烧结快速升温，h-BN与Al来不及反应或只有小部分反应，一次烧结后的陶瓷中由于h-BN、Al弱质相的存在，得到具有一定力学性能的可加工陶瓷。(2)在二次热处理过程中，h-BN与Al发生原位反应，以及Al与保护气N₂反应，生成具有高硬度的新相AlN，其与基体相容性好、界面强度高、颗粒尺寸小，从而对整个陶瓷基体的硬度和强度都起到了增加的作用。

附图说明

图1为本发明的工艺原理图。

图2为本发明的工艺流程图。

图3为本发明在光学显微镜下观察到的Al/BN复合陶瓷材料(实施例1)一次烧结后的显微结构照片。

图4为本发明在光学显微镜下观察到的Al/BN复合陶瓷材料(实施例1)硬化处理后的显微结构照片。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1以及图2，通过二次热处理制备硬度提高的复相可加工陶瓷的方法，包括一次烧结，高温二次反应热处理。

实施例1

a.一次烧结：以Al和h-BN(六方氮化硼)为原材料，Al与h-BN的质量比为4∶1，混合的粉料在球磨罐中湿磨24小时，介质为无水乙醇(浓度99.7％)，磨球为玛瑙球，70℃下干燥，过200目筛。将h-BN/Al混合粉末装入Φ20mm石墨模具中，等离子活化快速一次烧结，一次烧结时温度为600℃，升温速率200℃/min，压力40MPa，真空度10Pa，保温2min，烧结过程采用热电偶测温，试样随炉冷却。

b.二次反应热处理：将一次烧结后的h-BN/Al复合材料进行常规金属加工成所需要的形状，放入真空炉中，在N₂气保护下以5℃/min升至950℃，保温1.5h，然后让试样随炉降温冷却，所述N₂气为工业纯普通氮气。

实施例2

以Al和h-BN(六方氮化硼)为原材料，Al与h-BN的质量比为2∶1，一次烧结时温度为400℃，保温3min；二次反应热处理温度为850℃，保温1h。其余同实施例1。

实施例3

以Ti取代实施例1、2的Al，Ti与h-BN的质量比为5∶2，一次烧结时温度为500℃，保温1min；二次反应热处理温度为900℃，保温0.5h。其余同实施例1。

将以上实施例1、3制备的试样表面经抛光后进行维氏硬度测试及显微结构研究。表1列出了实施例1、3：复合材料热处理前后的维氏硬度。从表1可以看出，经过后期反应热处理，一次烧结的可加工陶瓷的硬度提高很大。

表1等离子活化一次烧结及二次硬化处理后复合陶瓷的硬度变化

对比图3图4可以发现，Al和BN经过后期反应热处理，出现了新的硬质相AlN，提高了一次烧结后可加工陶瓷的硬度。

Claims (2)

1.一种能提高后期硬度的可加工Al-BN复合陶瓷的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)以Al、h-BN为原材料，按Al与h-BN的质量比为4∶1至5∶2，采用湿磨法混合均匀；

(2)将混合料放入石墨模具中，进行等离子活化快速一次烧结，烧结温度为400-600℃；升温速率200℃/min，压力40MPa，真空度10Pa，保温不超过3min；

(3)烧结试样脱模后进行常规金属加工成所需要的形状；

(4)将加工好的一次烧结试样放入真空炉中，在N₂气保护下于850-950℃二次反应热处理0.5-1.5h，升温速率为5℃/min。

2.如权利要求1所述的能提高后期硬度的可加工Al-BN复合陶瓷的制备方法，其特征在于，所述Al为Ti所取代。

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