CN102731071A - 一种铝钛硼和稀有金属协同增韧氧化铝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷材料领域，涉及一种高硬度、高韧性氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法。本发明的特征是：首先在普通中频感应炉中制备铝钛硼中间合金，再将铝钛硼中间合金、稀有金属、氧化铝按照一定比例混合球磨，制得混合粉体；然后将混合粉体在氮气气氛中热压烧结。用该方法制备的氧化铝基陶瓷复合材料，硬度高、韧性好，晶粒尺寸小，具有优良的室温和高温力学性能及耐磨性。该陶瓷复合材料适合于制作高温以及对耐磨性要求较高的模具、喷沙嘴、刀具等。该材料以氧化铝为基体，以铝钛硼中间合金和稀有金属粘结相(钴、镍和钨)为增韧补强添加相，烧制的陶瓷坯体致密化程度高，强度和韧性比纯氧化铝大幅度提高。
Description
一、技术领域 本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及一种高硬度、高韧性氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法。
二、背景技术 氧化铝是一种研究较早的陶瓷材料，以氧化铝为基体的复合陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，因此被广泛应用于冶金、化工、机械、电子和航空航天等领域；但是纯氧化铝脆性大、韧性低，如何解决这一缺陷也成为众多国内外研究学者一直研究的热点。材料研究者通过将金属加入氧化铝基体材料中，使得氧化铝基体的脆性问题得到了很大程度的改善，大量研究报道表明，在改善氧化铝材料韧性的同时，往往会伴随其成本的提高，因此如何降低材料的制备成本也成为人们研究的关键性问题。铝钛硼中间合金成本相对较低，广泛应用于金属铝及其合金的晶粒细化工艺中，但至今未见到将铝钛硼中间合金和稀有金属同时加入到氧化铝基体中的报道。
三、发明内容 本发明的目的在于克服氧化铝制品性价比较高的不足，提供一种生产成本低、硬度高、断裂韧性好的氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法。
本发明通过以下方式实现：
(1)在普通中频感应炉中1000～1300℃，将钛粉和硼粉加入铝液，保温5～10分钟，制备铝钛硼中间合金；按重量百分比计铝钛硼中间合金组成为，硼0.5～2.0％，钛3.0～7.0％，铝为余量；
(2)以氧化铝陶瓷作为基体材料，以铝钛硼中间合金、稀有金属(钴、镍和钨)为增韧补强添加相，按照氧化铝86％～95％、铝钛硼中间合金3％～8％、稀有金属2％～6％的质量百分比称取原料；
(3)将称好的原料混合，以乙醇为介质强化球磨100～120小时后，放置真空干燥箱干燥并过200目筛，制得均匀混合粉体；
(4)采用热压烧结工艺，以氮气作为烧结气氛，烧结温度1480～1580℃，烧结压力28～35MPa，保温时间25～35分钟，即可制备高韧性、高强度的氧化铝基陶瓷复合材料。
上述方法制备的氧化铝基陶瓷复合材料，由氧化铝、氮化铝和稀有金属组成。本发明由于铝钛硼中间合金中的铝与氮气保护气体发生反应，从根本上解决了外加金属粒子与氧化铝基体润湿性差的问题；材料烧结过程中，氮不溶于铝且反应生成的氮化铝层很致密，铝的进一步氮化需要靠氮通过该表层扩散来实现，由于扩散速率不高，因而需要较长的时间才能实现铝向氮化铝的转变，因此金属铝在烧结过程中不会立即消失，可作为助烧剂降低氧化铝的烧结温度并促进复合材料致密化程度。氮化铝是在制备过程中原位生成的，粒度可小至纳米级，这些纳米颗粒具有很大的比表面积；活性非常大的纳米级氮化铝晶粒分布在氧化铝晶粒周围，可以起到细化其晶粒的效果。因此由铝钛硼中间合金和稀有金属增韧补强的氧化铝基复合材料具有均匀细化的微观组织结构和较高的室温力学性能。该复合材料尤其适用于对耐磨性要求较高的模具、喷沙嘴、刀具等零部件，制备工艺简单、原材料成本低、生产投资少。
四、具体实施方式
下面给出本发明的三个最佳实施例：
实施例一：在普通中频感应炉中1200℃，将钛粉和硼粉加入铝液，保温8分钟，制备铝钛硼中间合金；按照氧化铝90％、铝钛硼中间合金5％、钨5％的质量百分比称取原料；将称好的原料混合，装入聚氨酯制成的球磨桶中进行球磨，采用YG8硬质合金球，用无水乙醇作为球磨介质强化球磨100小时后，放置真空干燥箱干燥并过200目筛，制得均匀混合粉体；装入石墨模具预压成型后，放入烧结炉中热压烧结，以氮气作为烧结气氛，烧结温度1550℃，烧结压力32MPa，保温时间30分钟，即可制备高韧性、高强度的氧化铝基陶瓷复合材料。
实施例二：其他同实施例一，不同之处是按照氧化铝90％、铝钛硼中间合金3％、镍7％的质量百分比称取原料；烧结温度1500℃，烧结压力30MPa，保温时间35分钟。
实施例三：其他同实施例一，不同之处是按照氧化铝92％、铝钛硼中间合金3％、钴5％的质量百分比称取原料；烧结温度1500℃，烧结压力35MPa，保温时间35分钟。
Claims (2)
1.一种氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，以铝钛硼中间合金、稀有金属为增韧补强添加相，其特征通过以下方法制备：
(1)在普通中频感应炉中1000～1300℃，将钛粉和硼粉加入铝液，保温5～10分钟，制备铝钛硼中间合金；按重量百分比计铝钛硼中间合金组成为，硼0.5～2.0％，钛3.0～7.0％，铝为余量；
(2)以氧化铝陶瓷作为基体材料，以铝钛硼中间合金、稀有金属为增韧补强添加相，按照氧化铝86％～95％、铝钛硼中间合金3％～8％、稀有金属2％～6％的质量百分比称取原料；
(3)将称好的原料混合，以乙醇为介质强化球磨100～120小时后，放置真空干燥箱干燥并过200目筛，制得均匀混合粉体；
(4)采用热压烧结工艺，以氮气作为烧结气氛，烧结温度1480～1580℃，烧结压力28～35MPa，保温时间25～35分钟，即可制备高韧性、高强度的氧化铝基陶瓷复合材料。
2.根据权利要求1所述氧化铝基陶瓷复合材料，其特征是所添加的稀有金属为钴、镍和钨。
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