CN101955357B - 可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陶瓷材料制造领域，公开了一种可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法。可加工复相陶瓷材料的重量百分比组分为：40-80％SiC、5-30％h-BN、5-50％Ti；上述组分配料，球磨成混合粉末，然后在等离子活化(PAS)炉中一次烧结，即得硬度相对较低的可加工复相陶瓷材料；将上述制备的可加工复相陶瓷材料机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下，进行二次硬化处理，可以提高产品的硬度，扩大产品的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料制造领域，特别涉及一种可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法。
背景技术
可加工陶瓷通常是指在不使用金刚石刀具的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，一般加工后表面粗糙度要求小于10μm。目前，制备可加工陶瓷主要是利用一些优异的增韧补强方法和复合方法，通过合理的组分搭配来提高可加工陶瓷材料力学性能，调和陶瓷材料的可加工性和其强度这一矛盾。例如通过纳米技术、六方氮化硼(h-BN)第二相增韧技术等来制备可加工性良好、强度高的陶瓷材料。
但是，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，随着加工性能的提高，可加工陶瓷的硬度却随之下降，也就是说可加工性能和硬度是一对矛盾，很大程度上限制了可加工陶瓷的应用领域。陶瓷材料的硬度与其硬质相的含量多少有关，无法通过单纯改变材料的显微结构来提高可加工陶瓷的硬度。因此，寻找一种新的工艺路线制备既可加工、硬度又高的复相陶瓷显得尤为迫切。
发明内容
本发明针对目前可加工陶瓷材料的上述技术缺陷，提供一种可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法。该复相可加工陶瓷材料可以方便地进行机械加工，加工后经过二次硬化热处理，可以大幅提高其硬度，拓宽其应用领域。
为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现的：
可加工复相陶瓷材料，其重量百分比组分为：(1)40-80％氧化铝(Al2O3)、5-30％六方氮化硼(h-BN)、5-50％铝(Al)；或(2)40-80％碳化硅(SiC)、5-30％六方氮化硼(h-BN)、5-50％铝(Al)；或(3)40-80％氧化铝(Al2O3)、5-30％六方氮化硼(h-BN)、5-50％钛(Ti)；或(4)40-80％碳化硅(SiC)、5-30％六方氮化硼(h-BN)、5-50％钛(Ti)。
其进一步优化组分配比为：(1)60-80％Al2O3、5-30％h-BN、10-30％Al；或(2)40-60％SiC、10-30％h-BN、20-50％Al；或(3)60-80％Al2O3、5-30％BN、10-30％Ti；或(4)40-60％SiC、10-30％h-BN、20-50％Ti。
可加工复相陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：在上述重量百分比范围内配料，球磨混合粉末，然后在等离子活化(PAS)炉中一次烧结，其中升温速率200-500℃/min，压力30-60MPa，真空度0-10Pa，烧结温度800-1300℃，保温2-4min，最后随炉冷却即得。其一次烧结的进一步优化工艺参数为：升温速率300-500℃/min，压力30-50MPa，真空度6-10Pa，烧结温度900-1200℃，保温2-4min。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理方法，将上述制备的可加工复相陶瓷材料机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下，先以5-10℃/min升至900-1200℃，再以2-5℃/min升至1600-1800℃，保温2-3h，最后随炉冷却即可。其进一步的优化工艺参数为：热处理炉中，在N2气保护下，先以5-7℃/min升至1000-1200℃，再以5℃/min升至1600-1700℃，保温2-3h，最后随炉冷却即可。
本发明具有明显的有益效果。由于本发明将含有h-BN、Al(或Ti)以及陶瓷基体相(Al2O3或SiC)的混合粉末，放入PAS中快速升温，h-BN与Al来不及反应或只有部分反应，一次烧结后的陶瓷中存在着h-BN、Al(或Ti)弱质相，得到的复相陶瓷材料具有一定强度，但是硬度不高，方便加工；将制备的可加工复相陶瓷材料机械加工成产品后进行热处理，原位生成AlN、AlB2、TiN、TiB2等硬质相，这些硬质相与基体相相容性好、界面强度高、颗粒尺寸小，对整个陶瓷基体的硬度和强度都起到了增加的作用。
此外，本发明的工艺流程简单易行，所需烧结时间短；对一次烧结及二次硬化热处理后的陶瓷材料进行了维氏硬度、抗弯强度等测试，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/SiC可加工复相陶瓷材料，硬度由一次烧结后的4.1GPa提高到6.5GPa，抗弯强度由180MPa提高到330MPa。
附图说明
图1为本发明的工艺原理示意图；
图2a为h-BN/Al经一次烧结后的复合材料显微结构照片；
图2b为h-BN/Al复合材料的二次硬化热处理后显微结构照片。
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，本发明的原理是在六方氮化硼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产品；然后对产品进行二次硬化热处理，新的陶瓷相生成提高了复相可加工陶瓷材料的硬度。由于h-BN与金属Al、Ti等具有很好的润湿性，在一定温度下，其界面之间会发生化学反应，其反应方程式为：
3Al+2BN＝AlB2+2AlN
3Ti+2BN＝TiB2+2TiN
原位生成新的陶瓷相AlN、AlB2、AlB12、TiN、TiB2等，如图2a、2b所示，对比可以发现，经过二次硬化热处理，出现了新的硬质相AlN，从而提高了一次烧结后可加工陶瓷的硬度。
本发明的具体实施方案如下：
可加工复相陶瓷材料，其重量百分比组分为：(1)60-80％Al2O3、5-30％h-BN、10-30％Al；或(2)40-60％SiC、10-30％h-BN、20-50％Al；或(3)60-80％Al2O3、5-30％BN、10-30％Ti；或(4)40-60％SiC、10-30％h-BN、20-50％Ti。
可加工复相陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：按照上述重量百分比组分配料，球磨混合粉末，然后在等离子活化(PAS)炉中烧结，其中升温速率300-500℃/min，压力30-50MPa，真空度6-10Pa，烧结温度900-1200℃，保温2-4min，最后随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理方法，将上述制备的可加工复相陶瓷材料机械加工成产品，放入真空炉中，在N2气保护下，先以5-10℃/min升至900-1200℃，再以2-5℃/min升至1600-1800℃，保温2-3h，最后随炉冷却即可。
实施例1：
可加工复相陶瓷材料配料：以Al2O3为陶瓷基体相，Al和h-BN为增韧及反应相，各组分的重量百分配比为Al2O360％、h-BN15％、Al25％。
可加工复相陶瓷材料制备：将上述各组分混合，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；然后，将h-BN/Al/Al2O3粉末装入石墨模具，并置入等离子活化炉中，等离子活化(PAS)快速一次烧结，一次烧结时温度为1150℃，升温速率300℃/min，压力30MPa，真空度10Pa，保温2min，烧结过程采用红外测温，随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理：将上述制备的可加工复相陶瓷材料(h-BN/Al/Al2O3)机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下以10℃/min升至900℃，再以5℃/min升至1600℃保温2h，然后随炉降温冷却即成。
硬度测试结果：一次烧结及二次硬化处理后复相陶瓷的硬度由4.15GPa提高到5.5GPa。
实施例2：
可加工复相陶瓷材料配料：以Al2O3为陶瓷基体相，Al和h-BN为增韧及反应相，各组分的重量百分配比为Al2O375％、h-BN10％、Al15％。
可加工复相陶瓷材料制备：将上述各组分混合，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；然后将h-BN/Al/SiC粉末装入石墨模具中，并置入等离子活化炉中，等离子活化(PAS)快速一次烧结，一次烧结温度为1200℃，升温速率400℃/min，压力40MPa，真空度8Pa，保温4min，烧结过程采用红外测温，最后随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理：将上述制备的可加工复相陶瓷材料(h-BN/Al/SiC)机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下以10℃/min升至900℃，再以5℃/min升至1700℃保温2h，然后随炉降温冷却即成。
硬度测试结果：一次烧结及二次硬化处理后复相陶瓷的硬度由4.8GPa提高到6.2GPa。
实施例3：
可加工复相陶瓷材料配料：以Al2O3为陶瓷基体相，Ti和h-BN为增韧及反应相，各组分的重量百分配比为Al2O360％、h-BN15％、Ti25％。
可加工复相陶瓷材料制备：将上述各组分混合，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；然后，将h-BN/Ti/Al2O3粉末装入石墨模具，并置入等离子活化炉中，等离子活化(PAS)快速一次烧结，一次烧结时温度为1200℃，升温速率400℃/min，压力30MPa，真空度8Pa，保温3min，烧结过程采用红外测温，随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理：将上述制备的可加工复相陶瓷材料(h-BN/Ti/Al2O3)机械加工成产品，放入真空炉中，在N2气保护下以10℃/min升至1200℃，再以5℃/min升至1600℃，保温3h，然后随炉降温冷却即成。
硬度测试结果：一次烧结及二次硬化处理后复相陶瓷的硬度由5.43GPa提高到6.82GPa。
实施例4：
可加工复相陶瓷材料配料：以Al2O3为陶瓷基体相，Ti和h-BN为增韧及反应相，各组分的重量百分配比为Al2O375％、h-BN10％、Ti15％。
可加工复相陶瓷材料制备：将上述各组分混合，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；然后，将h-BN/Ti/Al2O3粉末装入石墨模具，并置入等离子活化炉中，等离子活化(PAS)快速一次烧结，一次烧结时温度为1200℃，升温速率400℃/min，压力30MPa，真空度6Pa，保温2min，烧结过程采用红外测温，随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理：将上述制备的可加工复相陶瓷材料(h-BN/Al/Al2O3)机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下以10℃/min升至1200℃，再以5℃/min升至1600℃保温3h，然后随炉降温冷却即成。
硬度测试结果：一次烧结及二次硬化处理后复相陶瓷的硬度由5.85GPa提高到7.1GPa。
实施例5：
可加工复相陶瓷材料配料：以SiC为陶瓷基体相，Al和h-BN为增韧及反应相，各组分的重量百分配比为SiC40％、h-BN25％、Al35％。
可加工复相陶瓷材料制备：将上述各组分混合，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/SiC粉末装入石墨模具，并置入等离子活化炉中，等离子活化(PAS)快速一次烧结，一次烧结温度为1200℃，升温速率400℃/min，压力40MPa，真空度10Pa，保温2min，烧结过程采用红外测温，最后随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理：将上述制备的可加工复相陶瓷材料(h-BN/Al/SiC)机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下以10℃/min升至900℃，再以5℃/min升至1600℃保温2h，然后随炉降温冷却即成。
硬度测试结果：一次烧结及二次硬化处理后复相陶瓷的硬度由4.1GPa提高到6.5GPa。
实施例6：
可加工复相陶瓷材料配料：以SiC为陶瓷基体相，Al和h-BN为增韧及反应相，各组分的重量百分配比为SiC60％、h-BN15％、Al25％。
可加工复相陶瓷材料制备：将上述各组分混合，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/SiC粉末装入石墨模具，并置入等离子活化炉中，等离子活化(PAS)快速一次烧结，一次烧结温度为1100℃，升温速率400℃/min，压力40MPa，真空度10Pa，保温3min，烧结过程采用红外测温，最后随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理：将上述制备的可加工复相陶瓷材料(h-BN/Al/SiC)机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下以10℃/min升至1000℃，再以5℃/min升至1600℃保温2h，然后随炉降温冷却即成。
硬度测试结果：一次烧结及二次硬化处理后复相陶瓷的硬度由3.56GPa提高到5.8GPa。
实施例7：
可加工复相陶瓷材料配料：以SiC为陶瓷基体相，Ti和h-BN为增韧及反应相，各组分的重量百分配比为SiC40％、h-BN25％、Ti35％。
可加工复相陶瓷材料制备：将上述各组分混合，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/Ti/SiC粉末装入石墨模具，并置入等离子活化炉中，等离子活化(PAS)快速一次烧结，一次烧结温度为1100℃，升温速率400℃/min，压力40MPa，真空度10Pa，保温3min，烧结过程采用红外测温，最后随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理：将上述制备的可加工复相陶瓷材料(h-BN/Al/SiC)机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下以10℃/min升至1200℃，再以5℃/min升至1700℃保温2h，然后随炉降温冷却即成。
硬度测试结果：一次烧结及二次硬化处理后复相陶瓷的硬度由4.67GPa提高到6.68GPa。
实施例8：
可加工复相陶瓷材料配料：以SiC为陶瓷基体相，Ti和h-BN为增韧及反应相，各组分的重量百分配比为SiC60％、h-BN15％、Ti25％。
可加工复相陶瓷材料制备：将上述各组分混合，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/Ti/SiC粉末装入石墨模具，并置入等离子活化炉中，等离子活化(PAS)快速一次烧结，一次烧结温度为1100℃，升温速率400℃/min，压力40MPa，真空度10Pa，保温3min，烧结过程采用红外测温，最后随炉冷却即得。
可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理：将上述制备的可加工复相陶瓷材料(h-BN/Ti/SiC)机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下以10℃/min升至1200℃，再以5℃/min升至1700℃保温2h，然后随炉降温冷却即成。
硬度测试结果：一次烧结及二次硬化处理后复相陶瓷的硬度由4.3GPa提高到6.8GPa。
将以上实施例1～8制备的可加工复相陶瓷材料，机械加工成产品，进行二次硬化热处理，得到试样。试样表面经抛光后进行维氏硬度测试，测试结果见表1。
表1一次烧结制备及二次硬化热处理后复相陶瓷的硬度变化
从表1可以看出，经过二次硬化热处理，一次烧结制备的可加工复相陶瓷材料的硬度得以提高。
Claims (5)
1.一种可加工复相陶瓷材料，其特征在于，重量百分比组分为：40-80％SiC、5-30％h-BN、5-50％Ti；所述陶瓷材料的制备方法为：在重量百分比范围内配料，球磨成混合粉末，然后在等离子活化炉中一次烧结，其中升温速率200-500℃/min，压力30-60MPa，真空度0-10Pa，烧结温度800-1300℃，保温2-4min，最后随炉冷却即得。
2.根据权利要求1所述的可加工复相陶瓷材料，其特征在于，重量百分比组分为：40-60％SiC、10-30％h-BN、20-50％Ti。
3.根据权利要求1或2所述的可加工复相陶瓷材料，其特征在于，所述一次烧结，其升温速率300-500℃/min，压力30-50MPa，真空度6-10Pa，烧结温度900-1200℃，保温2-4min。
4.根据权利要求2所述的可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理方法，其特征在于，将制备的可加工复相陶瓷材料机械加工成产品，放入热处理炉中，在N2气保护下，先以5-10℃/min升至900-1200℃，再以2-5℃/min升至1600-1800℃，保温2-3h，最后随炉冷却即可。
5.根据权利要求4所述可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理方法，其特征在于，热处理炉中，在N2气保护下，先以5-7℃/min升至1000-1200℃，再以5℃/min升至1600-1700℃，保温2-3h，最后随炉冷却。
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