CN106631035B - 一种复合陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合陶瓷，包括：钇铝石榴石和碳氮化钛；所述钇铝石榴石和碳氮化钛的质量比为A：B，0＜A≤50，50≤B≤100。与现有技术相比，本发明采用钇铝石榴石作为添加剂与碳氮化钛制备复合陶瓷，YAG在高温具有优异的抗蠕变性能和抗氧化性好以及优良的稳定性，而且熔点比较低，在较低的温度下具有较高的质点扩散速率，烧结性能比较好；而且YAG具有高强度、高模量、抗氧化、耐化学腐蚀性以及优良的光学性能和高温力学性能，密度和碳氮化钛密度非常接近，YAG的添加可以提高TiCN金属陶瓷的抗高温蠕变性、硬度、韧性等力学性能，使本发明提供的复合陶瓷具有较高的致密度以及良好的力学性能。

Description

一种复合陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷技术领域，尤其涉及一种复合陶瓷及其制备方法。
背景技术
碳氮化钛(TiCN)基金属陶瓷是在碳化钛(TiC)基金属陶瓷的基础上添加氮化钛发展而来的新型刀具材料。目前大量生产的金属陶瓷切削刀片，大多数是以Ti(C,N)作为主相，以金属钴结相和碳化物硬质相作为添加剂，通过混合成型后经高温烧结制备得到的。这种金属陶瓷片与传统的硬质合金相比，具有红硬性高、摩擦系数低、耐磨性好、耐腐蚀性高等优势。TiCN基金属陶瓷刀具的最佳切削速度通常可以是硬质合金的3倍～10倍，在半精加工和精加工领域已经成功替代WC基硬质合金刀具。由于TiCN熔点较高(3200℃)，需要很高的烧结温度才可以提供烧结驱动力，但是TiCN在1600℃易分解，难以烧结成型，为改善其烧结特性，现有技术在烧结时多用镍、钼、镍、WC等金属作为粘结添加剂，但是金属在高温下抗氧化性低，蠕变性低，高温力学性能低，严重影响烧结后陶瓷的力学性能。
因此，研发一种能够保证TiCN陶瓷具有良好烧结性能的同时还具有良好的抗氧化性、韧性、低温蠕变性以及高温力学性能的复合陶瓷材料成为本领域技术人员研究的热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合陶瓷，本发明提供的复合陶瓷具有高致密性以及良好的力学性能。
本发明提供了一种复合陶瓷，包括：
钇铝石榴石和碳氮化钛；
所述钇铝石榴石和碳氮化钛的质量比为A：B，0＜A≤50，50≤B≤100。
优选的，所述钇铝石榴石和碳氮化钛的质量比为(12～24)：(36～48)。
一种上述技术方案所述的复合陶瓷的制备方法，包括：
将钇铝石榴石和碳氮化钛进行热压烧结，得到复合陶瓷。
优选的，所述热压烧结的温度为1550～1650℃。
优选的，所述热压烧结的时间为2～10小时。
优选的，所述热压烧结的压力为25～35MPa。
优选的，所述钇铝石榴石的制备方法为：
将氧化钇和氧化铝进行烧结，得到钇铝石榴石。
优选的，所述烧结的温度为1500～1700℃。
优选的，所述烧结的时间为10～20小时。
优选的，所述氧化钇和氧化铝的摩尔比为(2～4):(4～6)。
与现有技术相比，本发明采用钇铝石榴石(YAG)作为添加剂与碳氮化钛(TiCN)制备复合陶瓷，YAG在高温(1300℃)具有优异的抗蠕变性能和抗氧化性好以及优良的稳定性，而且熔点比较低(1950℃)，在较低的温度下具有较高的质点扩散速率，烧结性能比较好；而且YAG具有高强度、高模量、抗氧化、耐化学腐蚀性以及优良的光学性能和高温力学性能，密度(4.55g/cm3)和碳氮化钛密度非常接近，YAG的添加可以提高TiCN金属陶瓷的抗高温蠕变性、硬度、韧性等力学性能，使本发明提供的复合陶瓷具有较高的致密度以及良好的力学性能。实验结果表明，本发明提供的复合陶瓷的致密度≥99.5％，维氏硬度≥16GPa，韧性≥5.34MPa.m1/2。
具体实施方式
下面将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。
本发明提供了一种复合陶瓷，包括：
钇铝石榴石和碳氮化钛；
所述钇铝石榴石和碳氮化钛的质量比为A：B，0＜A≤50，50≤B≤100。
在本发明中，所述钇铝石榴石和碳氮化钛的质量比优选为(12～24)：(36～48)，更优选为(18～20)：(40～42)，最优选为12:48；18:42或24:36。
本发明提供了一种上述技术方案所述的复合陶瓷的制备方法，包括：
将钇铝石榴石和碳氮化钛进行热压烧结，得到复合陶瓷。
在本发明中，所述热压烧结的温度优选为1550～1650℃，更优选为1580～1620℃，最优选为1600℃。在本发明中，所述热压烧结的时间优选为1～3小时，更优选为2小时。在本发明中，所述热压烧结的压力优选为25～35MPa，更优选为28～32MPa，最优选为30MPa。本发明优选在保护性气体的氛围下进行所述热压烧结，所述保护性气体优选为氮气。在本发明中，所述热压烧结的方法优选包括以下步骤：
(1)将钇铝石榴石和碳氮化钛在第一压力下进行预压后以第一速度升温至第一温度；所述第一压力为3～7MPa，所述第一速度为10～20℃/min，所述第一温度为1100～1300℃，得到第一产物；
(2)将所述第一产物以第二速度升温至第二温度并保温，所述第二速度为5～15℃/min，所述第二温度为1500～1700℃。
在本发明中，所述步骤(1)优选在氮气的气氛中进行。在本发明中，所述步骤(1)中第一压力优选为4～6MPa，更优选为5MPa。在本发明中，所述第一速度优选为12～18℃/min，更优选为14～16℃/min，最优选为15℃/min。在本发明中，所述第一温度优选为1150～1250℃，更优选为1200℃。
在本发明中，所述步骤(1)在升温的过程中优选同时进行抽真空处理，并在第三温度停止抽真空并充入保护性气体至常压，所述第三温度优选为700～900℃，更优选为750～850℃，最优选为800℃。
在本发明中，所述步骤(2)中第二速度优选为8～12℃/min，更优选为10℃/min。在本发明中，所述第二温度优选为1550～1650℃，更优选为1600℃。在本发明中，所述步骤(2)中的保温时间优选为0.5～1.5小时，更优选为0.8～1.2小时。
在本发明中，所述步骤(2)在升温过程中优选匀速加压，使压力在第二温度时达到25～35MPa，更优选为28～32MPa，最优选为30MPa。在本发明中，所述加压的速度优选为0.5～1MPa/min，更优选为0.7～0.8MPa/min，最优选为0.75MPa/min。在本发明中，当所述压力达到25～35MPa后优选保压0.5～1.5小时，更优选为0.8～1.2小时，最优选为1小时。
本发明在将钇铝石榴石和碳氮化钛进行热压烧结之前，优选将钇铝石榴石和碳氮化钛混合研磨制粉。在本发明中，所述研磨优选采用球磨的方法。在本发明中，所述球磨优选采用氧化锆磨球，更优选采用大号氧化锆磨球和小号氧化锆磨球共同进行球磨，所述大号氧化锆磨球的直径优选为10mm，高优选为10mm，所述小号氧化锆磨球的直径优选为5mm，高优选为5mm。在本发明中，所述大号氧化锆磨球和小号氧化锆磨球的质量比优选为(1～3)：1，更优选为(1.5～2.5):1，最优选为2:1。在本发明中，所述球磨过程中采用的试剂优选为乙醇，更优选为无水乙醇。本发明在球磨过程中优选将球磨试剂倒入球磨罐2/3处。在本发明中，所述球磨的时间优选为10～15小时，更优选为12～13小时。在本发明中，所述混合研磨完成后，优选将得到的粉料去除研磨溶剂后干燥。在本发明中，去除所述研磨溶剂的方法优选为旋转蒸发法。在本发明中，所述干燥的温度优选为50～70℃，更优选为55～65℃，最优选为60℃。在本发明中，所述干燥的时间优选为20～30小时，更优选为22～28小时，最优选为24～26小时。
本发明对所述钇铝石榴石和碳氮化钛的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的钇铝石榴石和碳氮化钛的制备方法得到，或者由市场购买即可。在本发明中，所述钇铝石榴石的制备方法优选为：
将氧化钇和氧化铝进行烧结，得到钇铝石榴石。
在本发明中，所述烧结的温度优选为1500～1700℃，更优选为1500～1650℃，最优选为1600℃。在本发明中，所述烧结的时间优选为10～20小时，更优选为12～18小时，最优选为14～16小时。在本发明中，所述烧结的方法优选为阶段升温烧结，具体包括以下步骤：
(A)将氧化钇和氧化铝以2～4℃/min的速度升温至1100～1300℃；
(B)然后以1～3℃/min升温至1500～1700℃并保温，得到钇铝石榴石。
在本发明中，所述步骤(A)中的升温速度优选为2.5～3.5℃/min，更优选为3℃/min。在本发明中，所述步骤(A)中的升温温度优选为1150～1250℃，更优选为1200℃。在本发明中，所述步骤(B)中的升温速度优选为1.5～2.5℃/min，更优选为2℃/min。在本发明中，所述步骤(B)中的升温温度优选为1550～1650℃，更优选为1600℃。在本发明中，所述步骤(B)中的保温时间优选为3～5小时，更优选为3.5～4.5小时，最优选为4小时。
本发明将氧化钇和氧化铝进行烧结之前优选将氧化钇和氧化铝混合研磨。在本发明中，所述研磨优选采用球磨的方法。在本发明中，所述球磨优选采用氧化锆磨球，更优选采用大号氧化锆磨球和小号氧化锆磨球共同进行球磨，所述大号氧化锆磨球的直径优选为10mm，高优选为10mm，所述小号氧化锆磨球的直径优选为5mm，高优选为5mm。在本发明中，所述大号氧化锆磨球和小号氧化锆磨球的质量比优选为(1～2)：1，更优选为(1.4～1.6):1，最优选为1.5:1。在本发明中，所述球磨过程中采用的试剂优选为乙醇，更优选为无水乙醇。本发明在球磨过程中优选将球磨试剂倒入球磨罐2/3处。在本发明中，所述球磨的时间优选为20～30小时，更优选为22～28小时，最优选为24～26小时。在本发明中，所述混合研磨完成后，优选将得到的粉料去除研磨溶剂后干燥。在本发明中，去除所述研磨溶剂的方法优选为旋转蒸发法。在本发明中，所述干燥的温度优选为50～70℃，更优选为55～65℃，最优选为60℃。在本发明中，所述干燥的时间优选为20～30小时，更优选为22～28小时，最优选为24～26小时。
在本发明中，所述氧化钇和氧化铝的摩尔比优选为(2～4):(4～6)，更优选为(2.5～3.5):(4.5～5.5)，最优选为3:5。
本发明对所述复合陶瓷的形状没有特殊的限制，本领域技术人员可根据所需的复合陶瓷的形状采用不同的形状的模具进行热压烧结或者将制备得到的复合陶瓷采用机加工的方法制备成所需的形状。在本发明中，所述复合陶瓷的形状可以为圆柱状也可以为矩形方块。在本发明中，圆柱状复合陶瓷的直径优选为40～60mm，更优选为45～55mm，最优选为50mm。在本发明中，圆柱状复合陶瓷的高优选为6～10mm，更优选为7～9mm，最优选为8mm。在本发明中，矩形方块状复合陶瓷的长优选为30～36mm，更优选为32～34mm。在本发明中，矩形方块状复合陶瓷的宽优选为3～5mm，更优选为3.5～4.5mm，最优选为4mm。在本发明中，矩形方块状复合陶瓷的高优选为2～4mm，更优选为2.5～3.5mm，最优选为3mm。
本发明以下实施例所用原料均为市售商品，所用的TiCN为H.C.STARCK公司提供的。
实施例1
制备YAG粉料：
分别称取6.8g的Y2O3和5.2g的Al2O3倒入干净的球磨罐中，加入14.4g的大号氧化锆研磨球(直径为10mm，高为10mm)和9.6g的小号氧化锆研磨球(直径为5mm，高为5mm)，倒入无水乙醇至球磨罐2/3处，将球磨罐中的物料放入行星球磨机球磨24h之后使用旋转蒸发仪去除无水乙醇，为保证粉料不含无水乙醇，放置于60℃，通风烘箱24h，去除研磨球，得到混合均匀的粉料。
将上述混合均匀的粉料置于空气气氛的烧结炉中，以3℃/min升温至1200℃，之后以2℃/min升温至1600℃并且保温4h，制得12g高纯度YAG粉料。
分别称取12g上述制备的YAG粉料和48g的TiCN并置于球磨罐中，加入80g的大号氧化锆研磨球(直径为10mm，高为10mm)和40g的小号氧化锆研磨球(直径为5mm，高为5mm)，倒入无水乙醇至球磨罐2/3处，旋转球磨12h之后采用旋转蒸发去除无水乙醇，为保证粉料不含无水乙醇，放置于60℃，通风烘箱24h，去除研磨球，得到混合均为的粉料。
将上述混合均匀的粉料置于N2气氛的热压烧结炉中，常温以5MPa压力预压，以15℃/min升温至1200℃，然后以10℃/min升温至1600℃并且保温1h。升温的同时抽取真空，在800℃停止抽取空气并充入N2至常压，1200℃匀速加压，使压力在1600℃达到30MPa并保压1h，制得复合陶瓷。
实施例2
分别称取10.21g的Y2O3和7.79g的Al2O3倒入干净的球磨罐，加入24g的大号氧化锆研磨球(直径为10mm，高为10mm)和12g的小号氧化锆研磨球(直径为5mm，高为5mm)，倒入无水乙醇至球磨罐2/3处，将球磨罐中的物料放入行星球磨机球磨24h之后使用旋转蒸发仪去除无水乙醇，为保证粉料不含无水乙醇，放置于60℃，通风烘箱12h，去除研磨球，得到混合均匀的粉料。
将上述混合均匀的粉料置于空气气氛的烧结炉中，以2.5℃/min升温至1200℃，之后以1.5℃/min升温至1600℃并且保温4h，制得18g高纯度YAG粉料。
分别称取18g上述制备的YAG粉料和42g的TiCN并置于球磨罐中，加入80g的大号氧化锆研磨球(直径为10mm，高为10mm)和40g的小号氧化锆研磨球(直径为5mm，高为5mm)，倒入无水乙醇至球磨罐2/3处。旋转球磨12h之后采用旋转蒸发去除无水乙醇，为保证粉料不含无水乙醇，放置于60℃，通风烘箱18h，去除研磨球，得到混合均为的粉料。
将上述混合均匀的粉料置于N2气氛的热压烧结炉中，常温以5MPa压力预压，以15℃/min升温至1200℃，然后以10℃/min升温至1600℃并且保温1h。升温的同时抽取真空，在800℃停止抽取空气并充入N2至常压，1200℃匀速加压，使压力在1600℃达到30MPa并保压1h，制得复合陶瓷。
实施例3
分别称取13.6的Y2O3和10.4g的Al2O3倒入干净的球磨罐，加入32g的大号氧化锆研磨球(直径为10mm，高为10mm)和16g的小号氧化锆研磨球(直径为5mm，高为5mm)，倒入无水乙醇至球磨罐2/3处，将球磨罐中的物料放入行星球磨机球磨12h之后使用旋转蒸发仪去除无水乙醇，为保证粉料不含无水乙醇，放置于60℃，通风烘箱24h，去除研磨球，得到混合均匀的粉料。
将上述混合均匀的粉料置于空气气氛的烧结炉中，以2℃/min升温至1200℃，之后以1℃/min升温至1600℃并且保温4h，制得24g高纯度YAG粉料。
分别称取24g上述制备的YAG粉料和36g的TiCN并置于球磨罐中，加入80g的大号氧化锆研磨球(直径为10mm，高为10mm)和40g的小号氧化锆研磨球(直径为5mm，高为5mm)，倒入无水乙醇至球磨罐2/3处。旋转球磨12h之后采用旋转蒸发去除无水乙醇，为保证粉料不含无水乙醇，放置于60℃，通风烘箱24h，去除研磨球，得到混合均匀的粉料。
将上述混合均匀的粉料置于N2气氛的热压烧结炉中，常温以5MPa压力预压，以15℃/min升温至1200℃，然后10℃/min升温至1600℃并且保温1h。升温的同时抽取真空，在800℃停止抽取空气并充入N2至常压，1200℃匀速加压，使压力在1600℃达到30MPa并保压1h，制得复合陶瓷。
实施例4
按照GB/T 25995-2010《精细陶瓷密度和显气孔率试验方法》测试本发明实施例制备的复合陶瓷的相对密度。按照GB/T 16534-2009《精细陶瓷室温硬度试验方法》测试本发明实施例制备的复合陶瓷的硬度。按照GB/T23806-2009《精密陶瓷室温韧性测试方法》)测试本发明实施例制备的复合陶瓷的韧性。测试结果如表1所示，表1为本发明实施例1～3制备得到的复合陶瓷的性能测试结果。
表1 本发明实施例1～3制备得到的复合陶瓷的性能测试结果
相对密度为 维氏硬度 断裂韧性
实施例1 99.6％ 16.5GPa 6.04MPa.m<sup>1/2</sup>
实施例2 99.4％ 15.4GPa 5.61MPa.m<sup>1/2</sup>
实施例3 99.5％ 15.6GPa 5.56MPa.m<sup>1/2</sup>
由以上实施例可知，本发明提供了一种复合陶瓷，包括：钇铝石榴石和碳氮化钛；所述钇铝石榴石和碳氮化钛的质量比为A：B，0＜A≤50，50≤B≤100。与现有技术相比，本发明采用钇铝石榴石作为添加剂与碳氮化钛制备复合陶瓷，YAG在高温具有优异的抗蠕变性能和抗氧化性好以及优良的稳定性，而且熔点比较低，在较低的温度下具有较高的质点扩散速率，烧结性能比较好；而且YAG具有高强度、高模量、抗氧化、耐化学腐蚀性以及优良的光学性能和高温力学性能，密度和碳氮化钛密度非常接近，YAG的添加可以提高TiCN金属陶瓷的抗高温蠕变性、硬度、韧性等力学性能，使本发明提供的复合陶瓷具有较高的致密度以及良好的力学性能。

Claims (1)

1.一种复合陶瓷的制备方法，具体为：
制备YAG粉料：
分别称取6.8g的Y2O3和5.2g的Al2O3倒入干净的球磨罐中，加入14.4g的大号氧化锆研磨球和9.6g的小号氧化锆研磨球，倒入无水乙醇至球磨罐2/3处，将球磨罐中的物料放入行星球磨机球磨24h之后使用旋转蒸发仪去除无水乙醇，为保证粉料不含无水乙醇，放置于60℃，通风烘箱24h，去除研磨球，得到混合均匀的粉料；
将上述混合均匀的粉料置于空气气氛的烧结炉中，以3℃/min升温至1200℃，之后以2℃/min升温至1600℃并且保温4h，制得12g高纯度YAG粉料；
分别称取12g上述制备的YAG粉料和48g的TiCN并置于球磨罐中，加入80g的大号氧化锆研磨球和40g的小号氧化锆研磨球，倒入无水乙醇至球磨罐2/3处，旋转球磨12h之后采用旋转蒸发去除无水乙醇，为保证粉料不含无水乙醇，放置于60℃，通风烘箱24h，去除研磨球，得到混合均匀 的粉料；
将上述混合均匀的粉料置于N2气氛的热压烧结炉中，常温以5MPa压力预压，以15℃/min升温至1200℃，然后以10℃/min升温至1600℃并且保温1h；升温的同时抽取真空，在800℃停止抽取空气并充入N2至常压，1200℃匀速加压，使压力在1600℃达到30MPa并保压1h，制得复合陶瓷。
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