CN104561726B

CN104561726B - 一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法

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Publication number: CN104561726B
Application number: CN201410851155.6A
Authority: CN
Inventors: 伍尚华; 陈健; 弓满锋; 张凤林; 周玉梅; 李鹏程; 白坤
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN104561726A

Abstract

本发明涉及陶瓷制备技术领域，具体为一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法。本发明通过添加Ni₃Al混合粉体，由AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体按一定的比例组成复合原料，可改进铝镁硼陶瓷的断裂韧性。尤其是在Ni₃Al中配合添加一定量的Cr、Zr、Y、V和B，对Ni₃Al进行改性，可显著提高最终制得的陶瓷材料的断裂韧性。通过使硼粉先经高温热处理再与铝粉、镁粉混合，然后经高压加热制得AlMgB₁₄预反应粉，配合该工艺可进一步提高铝镁硼陶瓷的性能。本发明制备方法的工艺简单易行，所制备的铝镁硼陶瓷断裂韧性好、强度高、致密性好、高温性能好。

Description

一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法。

背景技术

研究发现，通过掺杂工艺，AlMgB₁₄能够由绝缘材料变成导电材料，从而使得复杂形状的结构可以通过电火花加工而获得，而且AlMgB₁₄和钢之间具有超低的摩擦系数，可以减少材料的磨损，提高设备的能源效率和零件的使用寿命。因此，高硬度、导电性、超低的摩擦系数这些优异的性能使得AlMgB₁₄有望成为新型的陶瓷刀具材料。然而，目前AlMgB₁₄的断裂韧性很低(3.0-4.1MPm^1/2)，众所周知，低断裂韧性的陶瓷材料是无法在金属切削刀具上得到应用的。因此，需要改善AlMgB₁₄陶瓷材料的断裂韧性。

发明内容

本发明针对现有AlMgB₁₄的断裂韧性低的问题，将采用晶须增韧、复合第二相增韧和裂纹搭桥增韧的方法，使用Ni₃Al金属间化合物作为一种增韧相，大幅增加AlMgB₁₄的断裂韧性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种高韧性铝镁硼陶瓷，由复合原料制成，所述复合原料包括以下质量百分比的各组分：80-95％的AlMgB₁₄预反应粉，5-20％的Ni₃Al混合粉体。

优选的，所述的复合原料中各组分的质量百分比为：80-90％的AlMgB₁₄预反应粉，10-20％的Ni₃Al混合粉体。更优选的，所述的复合原料中各组分的质量百分比为：90％的AlMgB₁₄预反应粉，10％的Ni₃Al混合粉体。

上述AlMgB₁₄预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后在20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却并研磨后制得。

上述Ni₃Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B，余量为Ni。优选的，Ni₃Al混合粉体中各组分的质量百分比为：19.7％的Al，9.2％的Cr，0.62％的Zr，0.62％的Y，0.62％的V，0.99％的B，余量为Ni。

优选的，制备AlMgB₁₄预反应粉所用的硼粉经真空加热至1500℃并保温2h处理。

优选的，所述铝粉的粒径为1-2μm，镁粉的粒径为60-80μm，硼粉的粒径为2-5μm。

以上所述高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

S1混料：将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物，然后将混合物置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄研磨后得到AlMgB₁₄预反应粉；接着按比例将AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体混合均匀，得复合原料。优选的，所得复合原料过80-200目筛。

优选的，先将制备AlMgB₁₄预反应粉所用的硼粉置于1×10^-3Pa的真空炉中，由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉冷却至室温；接着再将硼粉、镁粉和铝粉按比例混合。

优选的，先将混合物置于球磨机中球磨10h，然后将混合物装入模具中并冷压成生坯，所述生坯的密度为理论密度的60％；接着将生坯置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄研磨后得到AlMgB₁₄预反应粉。

优选的，所述的Ni₃Al混合粉体由以下步骤制得：将19-20％的Al，8.0-8.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B和余量的Ni混合，得混合粉体；然后在惰性气体的气氛下球磨混合粉体50h，得Ni₃Al混合粉体。所用的研磨球是直径为10mm的硬质合金球，球料比为10:1。

S2球磨：将复合原料置于球磨机中，以200-360r/min的速度球磨6-10h。

优选的，所述球磨机中，研磨球与复合原料的质量比为14-16:1。

S3热压烧结：将复合原料装入模具中并将模具置于烧结炉中，以10-30℃/min的速度升温至1450-1750℃，保温0.5-2h，压力为30MPa，然后停止加热并随烧结炉冷却至室温，得陶瓷材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过添加Ni₃Al混合粉体，由AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体按一定的比例组成复合原料，可改进铝镁硼陶瓷的断裂韧性。尤其是在Ni₃Al中配合添加一定量的Cr、Zr、Y、V和B，对Ni₃Al进行改性，可显著提高最终制得的陶瓷材料的断裂韧性。通过使硼粉先经高温热处理再与铝粉、镁粉混合，然后经高压加热制得AlMgB₁₄预反应粉，配合该工艺可进一步提高铝镁硼陶瓷的性能。本发明制备方法的工艺简单易行，所制备的铝镁硼陶瓷断裂韧性好、强度高、致密性好、高温性能好。

附图说明

图1为实施例6中的陶瓷材料(10wt.％Ni₃Al混合粉体)的XRD图；

图2为实施例6中的陶瓷材料(10wt.％Ni₃Al混合粉体)的断面SEM图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步介绍和说明。

实施例1-9

实施例1-9和对比例1-3中的铝镁硼陶瓷分别由下表1中所示的各物质及质量百分比制成。

表1实施例1-9和对比例1-3制备铝镁硼陶瓷的各组分及质量百分比

表1中，AlMgB₁₄预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后经高压加热制得；其中，铝粉的纯度为99.95％，粒径为1-2μm；镁粉的纯度为99.99％，粒径为60-80μm；硼粉的纯度为99.5％，粒径为2-5μm。Ni₃Al混合粉体由19.7wt.％的Al，9.2wt.％的Cr，0.62wt.％的Zr，0.62wt.％的Y，0.62wt.％的V，0.99wt.％的B，68.25wt.％的Ni混合后球磨制得。

上述实施例和对比例中的AlMgB₁₄预反应粉、Ni₃Al混合粉体、铝镁硼陶瓷按以下方法制备：

(1)AlMgB₁₄预反应粉

将硼粉(用于制备AlMgB₁₄预反应粉)置于1x10^-3Pa的真空炉中，由室温以20℃/min的升温速度加热至1200℃，然后继续加热至1500℃并保温2h，接着停止加热，使硼粉随炉冷却至室温。在手套箱内及氩气保护的条件下，将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物。然后将混合物置于行星式球磨机(DQM-0.4L)中球磨10h，接着将混合物装入内径为20mm的圆柱形模具中，冷压成厚度为2mm的生坯，生坯的密度为理论密度的60％。将生坯置于20MPa下以20℃/min的升温速度由室温加热至1200℃，然后以5℃/min的升温速度继续加热至1400℃并保温90min，随炉冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄粉碎后得到AlMgB₁₄预反应粉。备用。

(2)Ni₃Al混合粉体

将19.7wt.％的Al，9.2wt.％的Cr，0.62wt.％的Zr，0.62wt.％的Y，0.62wt.％的V，0.99wt.％的B，68.25wt.％的Ni混合到一起，得混合粉体；然后将混合粉体置于球磨机中，在氩气的气氛下进行球磨50h，研磨球是直径为10mm的硬质合金球，球料比为10:1。球磨后制得Ni₃Al混合粉体。备用。

(3)复合原料

实施例1-9和对比例1-2的复合原料

分别将AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体置于真空条件下干燥24h，然后向AlMgB₁₄预反应粉中按比例加入Ni₃Al混合粉体，混合均匀并过100目筛，分别制得实施例1-9和对比例1-2的复合原料。

对比例3的复合原料

将AlMgB₁₄预反应粉置于真空条件下干燥24h，然后将AlMgB₁₄预反应粉过100目筛，制得对比例3中的复合原料。

(4)球磨

常温下，将复合原料置于球磨机中，球磨机中的研磨球与复合原料的质量比为14-16:1，以300r/min的速度球磨10h。

(5)热压烧结

常压下，将经步骤2加工的复合原料装入模具中并将模具置于烧结炉中，以15℃/min的速度升温，升温至1200℃后加压至30MPa并持续加热至1700℃，保温1h并保持压力为30MPa，然后停止加热并卸压，烧结炉内经烧结的材料随烧结炉冷却至室温，得铝镁硼陶瓷。

分别测定实施例1-9及对比例1-2制备的铝镁硼陶瓷的相对密度、断裂韧性和强度，测试结果如下表2所示。

表2实施例1-9和对比例1-2制备的铝镁硼陶瓷的性能测试结果

表2中的相对密度是指相对于理论密度。

实施例6制备的具有高断裂韧性的镁铝硼陶瓷的XRD图如图1所示，SEM图如图2所示。

在其它实施方案中，步骤3中的复合原料还可以用80-100目的筛进行筛分；生坯还可加热至1350-1450℃并保温90min；步骤4中，复合原料还可以在200-360r/min的速度下球磨6h-10h；步骤5中的热压烧结还可以是以10-30℃/min的速度升温至1450-1750℃并保温0.5-2h，然后再冷却。

实施例10-28

制备实施例10-28中的铝镁硼陶瓷所用的AlMgB₁₄预反应粉与上述实施例6的相同，AlMgB₁₄预反应粉与Ni₃Al混合粉体的质量比为9:1，并且镁铝硼陶瓷的制备方法也与上述实施例6的制备方法相同。实施例10-28与上述实施例6相比，不同之处在于Ni₃Al混合粉体的组成不同。具体如下表3所示。

表3实施例10-28中Ni₃Al混合粉体的各组分及质量百分比

分别测定实施例10-28制备的铝镁硼陶瓷的相对密度、断裂韧性和强度，测试结果如下表4所示。

表4实施例10-28制备的铝镁硼陶瓷的性能测试结果

对比例4

本对比例提供的一种镁铝硼陶瓷的制备方法，制备镁铝硼陶瓷的复合原料及制作方法与上述实施例6的基本相同，不同之处在于：在制备AlMgB₁₄预反应粉时，硼粉不经高温处理(即不经过由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉冷却至室温)，而是直接将硼粉、铝粉和镁粉按比例混合，然后如实施例6所述置于球磨机中球磨10小时，再冷压成生坯，接着在高温高压下将生坯制成AlMgB₁₄预反应粉。

然后，如实施例6的方法制得复合原料，并依次进行球磨和热压烧结操作，制得镁铝硼陶瓷。

对比例4制得的镁铝硼陶瓷的相对密度为99.1％，断裂韧性为9.8MPa·m^1/2，硬度为19.7GPa。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种高韧性铝镁硼陶瓷，由复合原料制成，其特征在于，所述复合原料由质量百分比为80-95％的AlMgB₁₄预反应粉和质量百分比为5-20％的Ni₃Al混合粉体组成，所述AlMgB₁₄预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后在20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却并研磨后制得；所述Ni₃Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B，余量为Ni。

2.根据权利要求1所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述Ni₃Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19.7％的Al，9.2％的Cr，0.62％的Zr，0.62％的Y，0.62％的V，0.99％的B，余量为Ni。

3.根据权利要求1所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述复合原料包括以下质量百分比的各组分：80-90％的AlMgB₁₄预反应粉，10-20％的Ni₃Al混合粉体。

4.根据权利要求3所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述用于制备AlMgB₁₄预反应粉的硼粉经真空加热至1500℃并保温2h处理。

5.根据权利要求4所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述铝粉的粒径为1-2μm，镁粉的粒径为60-80μm，硼粉的粒径为2-5μm。

6.一种如权利要求1所述高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1混料：将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物，然后将混合物置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄研磨后得到AlMgB₁₄预反应粉；接着按比例将AlMgB₁₄预反应粉和Ni₃Al混合粉体混合均匀，得复合原料；

S2球磨：将复合原料置于球磨机中，以200-360r/min的速度球磨6h-10h；

7.根据权利要求6所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将混合物置于球磨机中球磨10h，然后将混合物装入模具中并冷压成生坯，所述生坯的密度为理论密度的60％；接着将生坯置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB₁₄，将AlMgB₁₄研磨后得到AlMgB₁₄预反应粉。

8.根据权利要求7所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中，先将用于制备AlMgB₁₄预反应粉的硼粉置于1×10^-3Pa的真空炉中，由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉降温至室温；接着再将硼粉、镁粉和铝粉按比例混合。

9.根据权利要求6所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的Ni₃Al混合粉体由以下步骤制得：将19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B和余量的Ni混合在一起，得混合粉体；在惰性气氛下球磨混合粉体50h，得Ni₃Al混合粉体。