CN104072146B - 一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料及其制备方法 - Google Patents
一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料及其制备方法，该材料按照重量份的原料为：氮化硼60-80份、氮化铝10-20份、硼化钛15-25份、氧化镨2-6份、氧化钕4-8份、钼2-4份、钴1-3份；上述所有原料均采用纳米级粉末，其中氮化硼的径粒大小为10-100纳米，氮化铝和硼化钛的径粒大小为1-10纳米，其他的径粒大小为1-100纳米；其制备方法是以氮化硼为基体，添加氮化铝和硼化钛作为增强相，以氧化镨和氧化钕为稳定剂，以钼和钴作为烧结助剂，经微波辅助球磨、溶胶凝胶包覆，以及热压烧结而成。该模具抗老化性和缺陷抵能力强，具有良好的综合力学性能和优良的减摩耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷工模具材料，具体是一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷刀具具有高的硬度和耐磨性，在高速切削和干切削时表现出优异的切削性能，是一类极具发展前途的刀具材料。但是，目前应用的陶瓷刀具材料大多局限于微米复合陶瓷，材料的力学性能尤其是强度、韧性仍有待于进一步提高。根据Hall-petch关系：晶粒尺寸越小，陶瓷材料的强度越高。因此，纳米改性、纳米微米复合陶瓷刀具材料的研究与开发将是今后刀具材料发展的主要方向之一。
目前已经研究的纳米复合陶瓷刀具材料主要包括Si3N4/TiNn，Si3N4/TiCn，Si3N4-Ai2O3n-TiC-Y2O3，Al2O3/TiC/SiCn，Al2O3/TiCn，Al2O3/Al2O3n/SiCn，Al2O3/Ti (C0.7N0.3)n/SiCn，Al2O3/SiC/SiCn，Al2O3/TiC/TiNn，等，均具有比微米复合陶瓷刀具材料更好的力学性能和切削性能。但到目前为止，尚未发现以氮化硼陶瓷为基体的纳米复合陶瓷刀具材料的报道。
另一方面，陶瓷材料的热稳定性和耐磨性极佳，是制造成形模具的理想材料，很具有发展前景，但其韧性很差，因此还没有在模具工业方面得到广泛应用。从国内外现状来看，陶瓷工模具的研究尚处于研究开发阶段，应用于模具工业的陶瓷材料的种类很少、能应用的模具领域很窄，这方面的报道也极少。目前，陶瓷材料在各类模具中的应用研究大多局限于微米复合陶瓷材料，如 ZrO2增韧A12O3基复合陶瓷ZTA拉丝模、TZP/TiC/A12O3， A12O3/TiC复合陶瓷拉丝模、(Ce-TZP) -A12O3热挤压模具、3Y-TZP-A12O3陶瓷拉拔模、PSZ陶瓷热挤压模、A12O3/Cr3C2/ (W，Ti) C等。纳米复合陶瓷在模具材料应用方面的研究虽然较少，如复合UP陶瓷工模具、A12O3/Ti (C，N)等，但也取得了良好的效果。
从已有的研究可以看出，纳米复合尤其是纳微米复合陶瓷的性能、价格优势没能在模具领域得到充分发挥。就目前的总体情况来看，陶瓷工模具材料的种类、性能和应用范围均有待于进一步扩大和提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料及其制备方法，该模具抗老化性和缺陷抵能力强，具有良好的综合力学性能和优良的减摩耐磨性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料，按照重量份的原料为：氮化硼60-80份、氮化铝10-20份、硼化钛15-25份、氧化镨2-6份、氧化钕4-8份、钼2-4份、钴1-3份；上述所有原料均采用纳米级粉末，其中氮化硼的径粒大小为10-100纳米，氮化铝和硼化钛的径粒大小为1-10纳米，其他的径粒大小为1-100纳米。
作为本发明进一步的方案：所述复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料及其制备方法，按照重量份的原料为：氮化硼65-75份、氮化铝14-16份、硼化钛18-22份、氧化镨3-5份、氧化钕5-7份、钼2.5-3.5份、钴1.5-2.5份。
所述的复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料的制备方法，以氮化硼为基体，添加氮化铝和硼化钛作为增强相，以氧化镨和氧化钕为稳定剂，以钼和钴作为烧结助剂，经微波辅助球磨、溶胶凝胶包覆，以及热压烧结而成；具体制备步骤如下：
步骤一：按照重量份称取上述所有原料；
步骤二：将氮化硼、氮化铝和硼化钛加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散20-30分钟，得到第一悬浮液；
步骤三：将氧化镨、氧化钕、钼和钴加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散20-30分钟，得到第二悬浮液；
步骤四：将第一悬浮液和第二悬浮混合，然后充分搅拌，同时超声分散10-20分钟，得到总混合物悬浮液；
步骤五：将总混合物悬浮液倒入球磨罐中，以惰性气体为保护气氛，以无水乙醇为介质，直径为1-2mm的铁球为研磨球，在2450MHz的微波环境下，球磨12-24小时，过滤得到研磨液；所有原料的总重量与研磨球的重量比为1:10-20；
步骤六：将研磨液在110-120℃温度下真空干燥，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，得到粉体，密封备用；
步骤七：将粉体在氧化铁溶胶中浸渍3-7分钟，然后从氧化铁溶胶中捞出，在80-120℃下烘干后在400-600℃焙烧0.5-1.5小时，冷却获得表面均匀包覆有氧化铁薄膜的粉体；
步骤八：将包覆有氧化铁薄膜的粉体在氧化硅溶胶中浸渍3-7分钟，然后从氧化硅溶胶中捞出，在80-120℃下烘干后在600-800℃焙烧，时间为0.5-1.5小时，冷却获得表面均匀包覆有氧化硅与氧化铁复合薄膜的粉体；
步骤九：采用热压法烧结，在热压炉中将步骤八所得的粉体压模烧结成型即得。
作为本发明进一步的方案：步骤二和步骤三中所述无水乙醇与聚乙二醇的体积比为1:0.5-2。
作为本发明进一步的方案：步骤五和步骤六中所述惰性气体是氮气或稀有气体。
作为本发明进一步的方案：步骤七中将粉体在氧化铁溶胶中浸渍4-6分钟，然后从氧化铁溶胶中捞出，在90-110℃下烘干后在450-550℃焙烧0.8-1.2小时，冷却获得表面均匀包覆有氧化铁薄膜的粉体。
作为本发明进一步的方案：步骤八中将包覆有氧化铁薄膜的粉体在氧化硅溶胶中浸渍4-6分钟，然后从氧化硅溶胶中捞出，在90-110℃下烘干后在650-750℃焙烧，时间为0.8-1.2小时，冷却获得表面均匀包覆有氧化硅与氧化铁复合薄膜的粉体。
作为本发明进一步的方案：步骤九中热压法烧结工艺参数为：升温时间20-30min，保温温度1400-1600℃，热压压力30-40MPa，保温时间40-60min，然后降温至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明多元纳米复合陶瓷工模具，通过在纳米氮化硼基体中添加纳米氮化铝和纳米硼化钛作为增强相实现不同粒径的纳米复合，添加纳米氮化铝和纳米硼化钛的加入，可以与纳米氮化硼形成了典型的晶内/晶间混合型结构，由此导致沿晶/穿晶混合型断裂模式，这些强韧化机制与氮化硼相变增韧等多种增韧补强机理协同作用，共同改善材料的力学性能和使用性能；而且研究表明：氧化镨和氧化钕作为稳定剂的复合添加，不但使材料具有相当高的抗老化性和缺陷抵抗能力，而且晶粒相变临界尺寸比较大，对原料细度要求较低，从而使材料具有较好的综合性能；还利用金属质小磨球，在金属受到微波辐照后所发生的对微波的反射和折射耗散到整个反应体系中，起到了微波加热的作用，可加速反应进行；最后又在粉体表面镀覆一层致密的氧化铁薄膜和一层氧化硅薄膜，复合薄膜即能保护粉体在烧结过程中不与陶瓷结合剂产生有害的化学反应，又能提高粉体与陶瓷结合剂的润湿性，增加陶瓷结合剂对粉体的把持力，延长陶瓷工模具的使用寿命。与已有陶瓷工模具材料相比，该多元纳米复合陶瓷工模具材料具有更好的综合力学性能和优良的减摩耐磨性能，可用于制作挤压模、拉拔模以及切削刀具等陶瓷工模具。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料，按照重量份的原料为：氮化硼60份、氮化铝10份、硼化钛15份、氧化镨2份、氧化钕4份、钼2份、钴1份；上述所有原料均采用纳米级粉末，其中氮化硼的径粒大小为10-100纳米，氮化铝和硼化钛的径粒大小为1-10纳米，其他的径粒大小为1-100纳米；其制备方法是以氮化硼为基体，添加氮化铝和硼化钛作为增强相，以氧化镨和氧化钕为稳定剂，以钼和钴作为烧结助剂，经微波辅助球磨、溶胶凝胶包覆，以及热压烧结而成；具体制备步骤如下：
步骤一：按照重量份称取上述所有原料；
步骤二：将氮化硼、氮化铝和硼化钛加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散20分钟，得到第一悬浮液；所述无水乙醇与聚乙二醇的体积比为1:0.5；
步骤三：将氧化镨、氧化钕、钼和钴加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散20分钟，得到第二悬浮液；所述无水乙醇与聚乙二醇的体积比为1:0.5；
步骤四：将第一悬浮液和第二悬浮混合，然后充分搅拌，同时超声分散10分钟，得到总混合物悬浮液；
步骤五：将总混合物悬浮液倒入球磨罐中，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，直径为1mm的铁球为研磨球，在2450MHz的微波环境下，球磨12小时，过滤得到研磨液；所有原料的总重量与研磨球的重量比为1:10；
步骤六：将研磨液在110℃温度下真空干燥，完全干燥后在氮气气流中过筛，得到粉体，密封备用；
步骤七：采用热压法烧结，在热压炉中将步骤六所得的粉体压模烧结成型即得；热压法烧结的工艺参数：升温时间20min，保温温度1400℃，热压压力30MPa，保温时间40min，然后降温至室温。
实施例2
一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料，按照重量份的原料为：氮化硼70份、氮化铝15份、硼化钛20份、氧化镨4份、氧化钕6份、钼3份、钴2份；上述所有原料均采用纳米级粉末，其中氮化硼的径粒大小为10-100纳米，氮化铝和硼化钛的径粒大小为1-10纳米，其他的径粒大小为1-100纳米；其制备方法是以氮化硼为基体，添加氮化铝和硼化钛作为增强相，以氧化镨和氧化钕为稳定剂，以钼和钴作为烧结助剂，经微波辅助球磨、溶胶凝胶包覆，以及热压烧结而成；具体制备步骤如下：
步骤一：按照重量份称取上述所有原料；
步骤二：将氮化硼、氮化铝和硼化钛加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散25分钟，得到第一悬浮液；所述无水乙醇与聚乙二醇的体积比为1:1；
步骤三：将氧化镨、氧化钕、钼和钴加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散25分钟，得到第二悬浮液；所述无水乙醇与聚乙二醇的体积比为1:1；
步骤四：将第一悬浮液和第二悬浮混合，然后充分搅拌，同时超声分散15分钟，得到总混合物悬浮液；
步骤五：将总混合物悬浮液倒入球磨罐中，以氮气为保护气氛，以无水乙醇为介质，直径为1.5mm的铁球为研磨球，在2450MHz的微波环境下，球磨18小时，过滤得到研磨液；所有原料的总重量与研磨球的重量比为1:15；
步骤六：将研磨液在115℃温度下真空干燥，完全干燥后在氮气气流中过筛，得到粉体，密封备用；
步骤七：采用热压法烧结，在热压炉中将步骤六所得的粉体压模烧结成型即得；热压法烧结的工艺参数：升温时间25min，保温温度1500℃，热压压力35MPa，保温时间50min，然后降温至室温。
实施例3
一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料，按照重量份的原料为：氮化硼80份、氮化铝20份、硼化钛25份、氧化镨6份、氧化钕8份、钼4份、钴3份；上述所有原料均采用纳米级粉末，其中氮化硼的径粒大小为10-100纳米，氮化铝和硼化钛的径粒大小为1-10纳米，其他的径粒大小为1-100纳米；其制备方法是以氮化硼为基体，添加氮化铝和硼化钛作为增强相，以氧化镨和氧化钕为稳定剂，以钼和钴作为烧结助剂，经微波辅助球磨、溶胶凝胶包覆，以及热压烧结而成；具体制备步骤如下：
步骤一：按照重量份称取上述所有原料；
步骤二：将氮化硼、氮化铝和硼化钛加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散30分钟，得到第一悬浮液；所述无水乙醇与聚乙二醇的体积比为1:2；
步骤三：将氧化镨、氧化钕、钼和钴加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散30分钟，得到第二悬浮液；所述无水乙醇与聚乙二醇的体积比为1:2；
步骤四：将第一悬浮液和第二悬浮混合，然后充分搅拌，同时超声分散20分钟，得到总混合物悬浮液；
步骤五：将总混合物悬浮液倒入球磨罐中，以氩气为保护气氛，以无水乙醇为介质，直径为2mm的铁球为研磨球，在2450MHz的微波环境下，球磨24小时，过滤得到研磨液；所有原料的总重量与研磨球的重量比为1:20；
步骤六：将研磨液在120℃温度下真空干燥，完全干燥后在氩气气流中过筛，得到粉体，密封备用；
步骤七：采用热压法烧结，在热压炉中将步骤六所得的粉体压模烧结成型即得；热压法烧结的工艺参数：升温时间30min，保温温度1600℃，热压压力40MPa，保温时间60min，然后降温至室温。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料的制备方法，其特征在于，以氮化硼为基体，添加氮化铝和硼化钛作为增强相，以氧化镨和氧化钕为稳定剂，以钼和钴作为烧结助剂，经微波辅助球磨、溶胶凝胶包覆，以及热压烧结而成；所述复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料，按照重量份的原料为：氮化硼60-80份、氮化铝10-20份、硼化钛15-25份、氧化镨2-6份、氧化钕4-8份、钼2-4份、钴1-3份；上述所有原料均采用纳米级粉末，其中氮化硼的径粒大小为10-100纳米，氮化铝和硼化钛的径粒大小为1-10纳米，其他的径粒大小为1-100纳米；具体制备步骤如下：
步骤一：按照重量份称取上述所有原料；
步骤二：将氮化硼、氮化铝和硼化钛加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散20-30分钟，得到第一悬浮液；
步骤三：将氧化镨、氧化钕、钼和钴加到无水乙醇与聚乙二醇的混合溶液中，然后充分搅拌，同时超声分散20-30分钟，得到第二悬浮液；
步骤四：将第一悬浮液和第二悬浮混合，然后充分搅拌，同时超声分散10-20分钟，得到总混合物悬浮液；
步骤五：将总混合物悬浮液倒入球磨罐中，以惰性气体为保护气氛，以无水乙醇为介质，直径为1-2mm的铁球为研磨球，在2450MHz的微波环境下，球磨12-24小时，过滤得到研磨液；所有原料的总重量与研磨球的重量比为1:10-20；
步骤六：将研磨液在110-120℃温度下真空干燥，完全干燥后在惰性气体气流中过筛，得到粉体，密封备用；
步骤七：将粉体在氧化铁溶胶中浸渍3-7分钟，然后从氧化铁溶胶中捞出，在80-120℃下烘干后在400-600℃焙烧0.5-1.5小时，冷却获得表面均匀包覆有氧化铁薄膜的粉体；
步骤八：将包覆有氧化铁薄膜的粉体在氧化硅溶胶中浸渍3-7分钟，然后从氧化硅溶胶中捞出，在80-120℃下烘干后在600-800℃焙烧，时间为0.5-1.5小时，冷却获得表面均匀包覆有氧化硅与氧化铁复合薄膜的粉体；
步骤九：采用热压法烧结，在热压炉中将步骤八所得的粉体压模烧结成型即得。
2.根据权利要求1所述的复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤三中所述无水乙醇与聚乙二醇的体积比为1:0.5-2。
3.根据权利要求1所述的复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料的制备方法，其特征在于，步骤七中将粉体在氧化铁溶胶中浸渍4-6分钟，然后从氧化铁溶胶中捞出，在90-110℃下烘干后在450-550℃焙烧0.8-1.2小时，冷却获得表面均匀包覆有氧化铁薄膜的粉体。
4.根据权利要求1所述的复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料的制备方法，其特征在于，步骤八中将包覆有氧化铁薄膜的粉体在氧化硅溶胶中浸渍4-6分钟，然后从氧化硅溶胶中捞出，在90-110℃下烘干后在650-750℃焙烧，时间为0.8-1.2小时，冷却获得表面均匀包覆有氧化硅与氧化铁复合薄膜的粉体。
5.根据权利要求1所述的复合包覆氮化硼基多元纳米复合陶瓷工模具材料的制备方法，其特征在于，步骤九中热压法烧结工艺参数为：升温时间20-30min，保温温度1400-1600℃，热压压力30-40MPa，保温时间40-60min，然后降温至室温。
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