CN104446395A - 一种复合陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合陶瓷材料，包括以下组分：Al₂O₃、TiB₂、ZrO₂，各组分质量百分比为：63-77％、18.5-30.5％、4.5-6.5％；制备所述复合陶瓷材料的方法，包括以下步骤：1）原料准备；2）球磨混料；3）热压烧结。本发明通过在Al₂O₃基体中加入B₄C、TiC和ZrO₂粉末，利用B₄C和TiC在热压烧结过程中原位反应生成TiB₂，从而制备得Al₂O₃/ TiB₂/ ZrO₂复合陶瓷材料；该复合陶瓷材料不仅强度高、硬度高、韧性高，而且在高温摩擦作用下产生化学反应形成连续固态润滑层，实现该复合材料的自润滑功能。本复合陶瓷材料适合制备切削刀具、模具等。

Description

一种复合陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料及其制备方法，尤其是一种高强度、高硬度、高韧性复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

氧化铝基复合陶瓷材料具有较好的常温力学性能（如高强度、高硬度等），有着较广泛的工程应用。在过去已有的氧化铝基复合陶瓷材料的制备方法都是向氧化铝基体中直接加入一定量的TiB₂颗粒制得Al₂O₃/TiB₂复相陶瓷材料，或是向氧化铝基体中直接加入一定量的TiB₂和ZrO₂颗粒制得Al₂O₃/TiB₂/ZrO₂复相陶瓷材料。但TiB₂粉末有活性高、易水解、吸潮等缺点，所以制备的材料综合力学性能有一定的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度、高硬度、高韧性复合陶瓷材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种复合陶瓷材料，包括以下组分：Al₂O₃、TiB₂、ZrO₂，各组分质量百分比为：63-77％、18.5-30.5％、4.5-6.5％。

制备前述一种复合陶瓷材料的方法，包括以下步骤：

1）原料准备：原料选用Al₂O₃、B₄C、TiC和 ZrO₂粉末，各组分质量百分比为63-77％、12.9-21.3%、5.6-9.2%、4.5-6.5％；在Al₂O₃基体材料中，添加B₄C、TiC和ZrO₂粉末，充分混合；

2）球磨混料：以无水乙醇作为介质将混合好的原料进行强化球磨，再将球磨后的混合料在真空干燥箱中干燥24h后100目过筛，制得均匀混合粉末；

3）热压烧结：将均匀混合粉末装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，制备得到Al₂O₃/ TiB₂/ ZrO₂复合陶瓷材料。

进一步的，步骤2）中选用YG8硬质合金球，球料比5:1，与无水乙醇一道作为介质进行湿法球磨，球磨时间为80-100小时。

进一步的，步骤3）中烧结温度范围为1650--1750℃，烧结压力为25--30MPa，保温时间为30--40分钟。

本发明的优点在于：通过在Al₂O₃基体中加入B₄C、TiC和ZrO₂粉末，利用B₄C和TiC在热压烧结过程中原位反应生成TiB₂，从而制备得Al₂O₃/ TiB₂/ ZrO₂复合陶瓷材料。本发明通过适当的原位反应可以获得第二相，并能有效阻止晶粒二次长大；本发明就是从这一理念出发，通过用TiC 和B₄C化学反应在微米级Al₂O₃基体中原位生成颗粒细小、分布均匀的TiB₂作为增强相，同时在基体中加入纳米级ZrO₂，利用其相变特性以提高复合材料的韧性，用热压烧结工艺制得Al₂O₃/ZrO₂/TiB₂纳微米复合陶瓷材料。该复合陶瓷材料在高温摩擦作用下产生化学反应形成连续固态润滑层，实现该复合材料的自润滑功能。本复合陶瓷材料适合制备切削刀具、模具等。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创造特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。

实施例1

1）  材料组分：基体材料α—Al₂O₃质量为63克，在其中添加9.24克B₄C、21.26克TiC和6.5克ZrO₂粉末；

2）  球磨混料：以无水乙醇和YG8硬质合金球作为介质将上述混合好的原料进行强化球磨，球磨时间80-100小时，再将球磨后的混合料在真空干燥箱中干燥24h后100目过筛，制得均匀混合粉末；

3）  热压烧结：将上一步骤所得的混合粉末装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，烧结温度范围为1700℃，烧结压力为30MPa，保温时间为30分钟，制备得到Al₂O₃/ TiB₂/ ZrO₂复合陶瓷材料（样品A1）。

实施例2

1）  材料组分：基体材料α—Al₂O₃质量为77克，在其中添加5.6克B₄C、12.9克TiC和4.5克ZrO₂粉末；

2）  球磨混料：以无水乙醇和YG8硬质合金球作为介质将上述混合好的原料进行强化球磨，球磨时间80-100小时，再将球磨后的混合料在真空干燥箱中干燥24h后100目过筛，制得均匀混合粉末；

3）热压烧结：将上一步骤所得的混合粉末装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，烧结温度范围为1700℃，烧结压力为30MPa，保温时间为30分钟，制备得到Al₂O₃/ TiB₂/ ZrO₂复合陶瓷材料（样品A2）。

机械力学性能检测：

将上述两实施例所制备得到的样品A1、A2进行机械力学性能检测，将所制试样经切割、工具磨床粗磨、精磨，最后进行抛光和倒角，制成4mm×3mm×36mm的标准试样。用三点弯曲法在CMT5105型电子万能试验机上测量样品的抗弯强度，跨距为30 mm，加载速率为 0.5 mm/min；用 HV-120型维氏硬度计测量样品的显微硬度，载荷为 98 N，保压15s；用压痕法测量样品的断裂韧性。

结果如下：

由检测结果可知，本发明的Al₂O₃/ TiB₂/ ZrO₂复合陶瓷材料，当TiB₂含量为10-30%时，其抗弯强度达到920-1140MP_a，硬度为13.2-15.4 GP_a，断裂韧性8.8-12.1 MPa·m^1 /2；另外复合材料室温干摩擦条件下（法向载荷200N，滑动速度0.84m/s，MM-200 型摩擦磨损试验机）摩擦系数达到0.45。

试验结果表明，该复合材料具有优良的综合机械力学性能，特别是高温下具有较好的自润滑功能，非常适合用于制作工模具和切削刀具。

以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种复合陶瓷材料，包括以下组分：Al₂O₃、TiB₂、ZrO₂，各组分质量百分比为：63-77％、18.5-30.5％、4.5-6.5％。

2.制备权利要求1所述一种复合陶瓷材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）原料准备：原料选用Al₂O₃、B₄C、TiC和 ZrO₂粉末，各组分质量百分比为63-77％、12.9-21.3%、5.6-9.2%、4.5-6.5％；在Al₂O₃基体材料中，添加B₄C、TiC和ZrO₂粉末，充分混合；

2）球磨混料：以无水乙醇作为介质将混合好的原料进行强化球磨，再将球磨后的混合料在真空干燥箱中干燥24h后100目过筛，制得均匀混合粉末；

3）热压烧结：将均匀混合粉末装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，制备得到Al₂O₃/ TiB₂/ ZrO₂复合陶瓷材料。

3.如权利要求2所述的制备一种复合陶瓷材料的方法，其特征在于：步骤2）中选用YG8硬质合金球，球磨时间80-100小时。

4.如权利要求2所述的制备一种复合陶瓷材料的方法，其特征在于：步骤3）中烧结温度范围为1650--1750℃，烧结压力为25--30MPa，保温时间为30--40分钟。