CN109734457A

CN109734457A - 一种高硬度Sialon陶瓷材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN109734457A
Application number: CN201910069663.1A
Authority: CN
Inventors: 银锐明; 吴泱
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: CN109734457B

Abstract

本发明公开了一种高硬度Sialon陶瓷材料及其制备方法和应用，该Sialon陶瓷材料采用氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉制备而得，具有硬度高，耐磨性好，工作温度高和韧性好的特点，能够满足苛刻的服役条件。本发明同时提供了所述材料的制备方法，经混合、球磨处理、凝胶注模成型、干燥处理、烧结即得，制备方法简单易行。本发明提供的高硬度Sialon陶瓷材料可应用于制作钻头方面，制备的钻头工作过程中散热快、冷却效果好，同时硬度高，能够满足苛刻的服役条件，使用寿命长。

Description

一种高硬度Sialon陶瓷材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种高硬度Sialon陶瓷材料及其制备方法应用。

背景技术

传统钻头采用金属陶瓷复合材料制成，但是在钻进的过程中钻头容易磨损，影响使用，且弹性模量较低。金刚石钻头硬度高，切割性能优良，但是造价昂贵，在热稳定性有一定缺陷。因此，必须研发一种综合力学性能更加优良的钻头材料。

Sialon陶瓷具有高强度、抗腐蚀等优异的物理和化学性能，广泛应用于冶金、电子、机械、化工、航空航天等领域。在钻头高速转动工作过程中会产生大量热量，Sialon陶瓷材料抗热震性能好、热膨胀系数低，有利于钻头散热冷却，但是Sialon陶瓷材料的硬度较低，使用其制作的钻头无法满足工作需要。同时在现有Sialon陶瓷制备过程中，由于原材料中的氮化硅不溶于水，无法采用传统的水基凝胶注模成型，只能进行压制成型，容易造成物料分布不均，影响使用性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种高硬度Sialon陶瓷材料，该材料由氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉制备而成，具有硬度高，耐磨性好，工作温度高和韧性好的优点。

本发明要解决的另一技术问题是提供所述高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，将氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉与有机溶剂混合经球磨处理、凝胶注模成型、干燥处理、烧结即得。该制备方法原材料种类少，工艺设计合理，能大规模应用于工业生产。

本发明还要解决的技术问题是提供所述高硬度Sialon陶瓷材料在制作钻头方面的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高硬度Sialon陶瓷材料，所述高硬度Sialon陶瓷材料采用氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉作为原材料与高分子凝胶制备而得，所述氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉质量百分比如下：氮化硅粉为72～78wt％，碳化铝粉为4～6wt％，氮化铝粉为4～6wt％，氧化铝粉为6～7wt％，氧化钇粉为3wt％，氧化铈粉为4～6wt％。

优选地，所述氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉所占百分比如下：氮化硅粉为75～78wt％，碳化铝粉为5～6wt％，氮化铝粉为4～6wt％，氧化铝粉为6～7wt％，氧化钇粉为3wt％，氧化铈粉为4～6wt％。

进一步地，所述高分子凝胶以PEG-200、N-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、交联剂、分散剂、引发剂、催化剂为原材料。

优选地，所述高分子凝胶各原材料的质量百分比如下：PEG-200为7.5wt％、N-甲基吡咯烷酮为50wt％、甲基丙烯酸羟乙酯为29.1wt％、交联剂为4.5wt％、分散剂为7.9wt％、引发剂为0.3wt％、催化剂为0.7wt％。

进一步地，所述交联剂为三丙烯酸丙烷三甲醇酯，所述分散剂为聚乙烯亚胺，所述引发剂为过氧化苯甲酰，所述催化剂为N,N-二甲基苯胺。

进一步地，所述高硬度Sialon陶瓷原材料与高分子凝胶原材料的质量比为1:0.82。

本发明还提供一种上述高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.按比例取氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉，与高分子凝胶的部分原材料混合均匀，得混合料，将混合料放入球磨机中进行球磨，得球磨料；

S2.向步骤S1中制备的球磨料中加入高分子凝胶原材料的剩余部分，最后倒入模具，凝胶注模成型，得坯体；

S3.将步骤S2中的坯体干燥处理；

S4.将步骤S3中干燥好的坯体放入烧结炉，烧结冷却后，得高硬度Sialon陶瓷材料。

进一步地，步骤S1中所述球磨机中采用的磨球为氧化锆球；球料比为(4～10)：1；步骤S1中球磨料的粒径≤1μm。

进一步地，步骤S2中所述凝胶注模成型采用非水基凝胶注模成型，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，单体为甲基丙烯酸羟乙酯。

进一步地，步骤S3中所述干燥过程采用鼓风干燥箱烘干球磨料。

进一步地，步骤S4中所述烧结为常压烧结；所述烧结过程条件如下：

第一阶段：在真空度为20～30Pa，通入流动氮气条件下以10℃/min速率升温至1000℃；

第二阶段：以7.5℃/min速率升温至1300℃，保温30min；

第三阶段：以7.5℃/min速率升温至1450℃，保温30min；

第四阶段：以7.5℃/min速率升温至1550～1750℃，保温60～120min；

第五阶段：随炉冷却至室温。

一种上述高硬度Sialon陶瓷材料在制作钻头方面的应用，具体地，所述应用为：以高硬度Sialon陶瓷材料作为钻头材料，制作钻头。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明以氮化硅、碳化铝、氮化铝、氧化铝、氧化钇和氧化铈为原材料，经混合，球磨，成型，烘干，烧结后得到高硬度Sialon陶瓷材料，制备工艺简单。通过在原材料里添加氮化铝，能有效促进促进Sialon陶瓷中α相的生成。Sialon陶瓷中的α相为等轴状晶型，具有较高的硬度和抗震性。同时，在制备过程中经过球磨后的碳化铝能有效促进sialon陶瓷中发生晶粒细化，使得硬度和断裂韧性大大提高，从而获得优越的力学性能。

本发明使用的成型方法为非水基凝胶注模成型，通过利用有机单体和少量添加剂的化学反应原位凝固成型，克服了氮化硅不适用传统的水基凝胶注模的技术缺陷，获得具有良好微观均匀性和一定强度的坯体。且相比于压制成型，此成型方法操作简单，耗时短。

本发明制备的高硬度Sialon陶瓷材料具有硬度高，耐磨性好，工作温度高和韧性好的特点，可用于制作钻头。使用本发明提供的Sialon陶瓷材料制备的钻头工作过程中散热快、冷却效果好，同时硬度高，能够满足苛刻的服役条件，切割性能好，使用寿命长。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

在凝胶注模成型过程中，为了使高分子凝胶能完全包裹原材料粉体，防止出现开裂，本发明中Sialon陶瓷原材料与高分子凝胶原材料的质量比为1:0.82。其中高分子凝胶各原材料的质量百分比如下：PEG-200为7.5wt％、N-甲基吡咯烷酮为50wt％、甲基丙烯酸羟乙酯为29.1wt％、交联剂为4.5wt％、分散剂为7.9wt％、引发剂为0.3wt％、催化剂为0.7wt％。

实施例1

本实施例提供一种高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：

S1.按比例称取氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉，其质量分数分别为78％、4％、5％、6％、3％、4％；将称好的原材料与PEG-200、N-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、三丙烯酸丙烷三甲醇酯、聚乙烯亚胺按比例混合均匀，得混合料；将混合料放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为氧化锆球，球料比为4:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；

S2.将步骤S1中制备的球磨料取出，倒入烧杯，依次按比例加入过氧化苯甲酰和N,N-二甲基苯胺；搅拌均匀后倒入模具，静置，凝固成型，得坯体；

S3.将步骤S2中制备的坯体放入鼓风干燥箱内，在50℃的条件下干燥24小时，升温至60℃干燥24小时，最后再升温至70℃干燥24小时；

S4.将步骤S3中干燥后的坯体进行常压烧结，烧结过程如下：

第二阶段：以7.5℃/min速率升温至1300℃，保温30min；

第三阶段：以7.5℃/min速率升温至1450℃，保温30min；

第四阶段：以7.5℃/min速率升温至1550℃，保温60min；

第五阶段：随炉冷却至室温，得高硬度Sialon陶瓷材料。

实施例2

S1.按比例称取氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉，其质量分数分别为72％、6％、6％、7％、3％、6％；将称好的原材料与PEG-200、N-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、三丙烯酸丙烷三甲醇酯、聚乙烯亚胺按比例混合均匀，得混合料；将混合料放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为氧化锆球，球料比为6:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；

S4.将步骤S3中干燥后的坯体进行常压烧结，烧结过程如下：

第二阶段：以7.5℃/min速率升温至1300℃，保温30min；

第三阶段：以7.5℃/min速率升温至1450℃，保温30min；

第四阶段：以7.5℃/min速率升温至1600℃，保温60min；

第五阶段：随炉冷却至室温，得高硬度Sialon陶瓷材料。

实施例3

S1.按比例称取氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉，其质量分数分别为76％、5％、5％、7％、3％、4％；将称好的原材料与PEG-200、N-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、三丙烯酸丙烷三甲醇酯、聚乙烯亚胺按比例混合均匀，得混合料；将混合料放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为氧化锆球，球料比为8:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；

S4.将步骤S3中干燥后的坯体进行常压烧结，烧结过程如下：

第二阶段：以7.5℃/min速率升温至1300℃，保温30min；

第三阶段：以7.5℃/min速率升温至1450℃，保温30min；

第四阶段：以7.5℃/min速率升温至1650℃，保温60min；

第五阶段：随炉冷却至室温，得高硬度Sialon陶瓷材料。

实施例4

S1.按比例称取氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉，其质量分数分别为78％、5％、4％、6％、3％、4％；将称好的原材料与PEG-200、N-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、三丙烯酸丙烷三甲醇酯、聚乙烯亚胺按比例混合均匀得混合料；将混合料放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为氧化锆球，球料比为10:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；

S4.将步骤S3中干燥后的坯体进行常压烧结，烧结过程如下：

第二阶段：以7.5℃/min速率升温至1300℃，保温30min；

第三阶段：以7.5℃/min速率升温至1450℃，保温30min；

第四阶段：以7.5℃/min速率升温至1700℃，保温60min；

第五阶段：随炉冷却至室温，得高硬度Sialon陶瓷材料。

实施例5

S1.按比例称取氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉，其质量分数分别为75％、6％、5％、7％、3％、4％；将称好的原材料与PEG-200、N-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、三丙烯酸丙烷三甲醇酯、聚乙烯亚胺按比例混合均匀，得混合料；将混合料放入球磨机球磨，球磨机所用磨球为氧化锆球，球料比为10:1；球磨至粒径≤1μm，得球磨料；

S4.将步骤S3中干燥后的坯体进行常压烧结，烧结过程如下：

第二阶段：以7.5℃/min速率升温至1300℃，保温30min；

第三阶段：以7.5℃/min速率升温至1450℃，保温30min；

第四阶段：以7.5℃/min速率升温至1750℃，保温60min；

第五阶段：随炉冷却至室温，得高硬度Sialon陶瓷材料。

对比例1

本对比例参照实施例5，提供一种高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，与实施例5不同之处在于：步骤S1中未添加碳化铝；氮化硅粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉，其质量分数分别为75％、11％、7％、3％、4％。

对比例2

本对比例参照实施例5，提供一种高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，与实施例5不同之处在于：对比例2中采用现有压制成型工艺，无需添加高分子凝胶。

对实施例1～5和对比例1～2制备的高硬度Sialon陶瓷材料进行各项性能测试，结果如表1所示：

表1

	密度(g/cm<sup>3</sup>)	硬度(HV)	断裂韧性(MPa·m<sup>1/2</sup>)
				实施例1	2.993	1009	7.65
实施例2	3.056	1269	8.62
				实施例3	3.190	1531	9.08
实施例4	3.206	1473	9.25
				实施例5	3.195	1549	9.29
对比例1	2.764	953	6.87
				对比例2	2.851	978	7.23

通过以上测试结果可知，实施例1～5制备的高硬度Sialon陶瓷材料的各项性能均优于对比例1～2，其中以实施例5制备的高硬度Sialon陶瓷材料的效果最佳。

而在对比例1中，未添加碳化铝，影响了Sialon陶瓷中晶粒细化，导致成品性能较差；对比例2中采用压制成型，制备的Sialon陶瓷材料均匀性一般，力学性能不如实施例5制备的Sialon陶瓷材料。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述高硬度Sialon陶瓷材料采用氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉作为原材料与高分子凝胶制备而得，所述氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉质量百分比如下：氮化硅粉为72~78wt%，碳化铝粉为4~6wt%，氮化铝粉为4~6wt%，氧化铝粉为6~7wt%，氧化钇粉为3wt%，氧化铈粉为4~6 wt%。

2.根据权利要求1所述的高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述氮化硅粉、碳化铝粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉和氧化铈粉所占百分比如下：氮化硅粉为75~78wt%，碳化铝粉为5~6wt%，氮化铝粉为4~6wt%，氧化铝粉为6~7wt%，氧化钇粉为3wt%，氧化铈粉为4~6wt%。

3.根据权利要求1所述的高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述高分子凝胶以PEG-200、N-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、交联剂、分散剂、引发剂、催化剂为原材料。

4.根据权利要求3所述的高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述交联剂为三丙烯酸丙烷三甲醇酯，所述分散剂为聚乙烯亚胺，所述引发剂为过氧化苯甲酰，所述催化剂为N,N-二甲基苯胺。

5.根据权利要求3所述的高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述Sialon陶瓷原材料与高分子凝胶原材料的质量比为1:0.82。

6.一种权利要求1~5任一项所述高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S3.将步骤S2中的坯体干燥处理；

S4.将步骤S3中干燥好的坯体放入烧结炉，烧结冷却后，得Sialon陶瓷材料。

7.根据权利要求6所述的高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述所述球磨机中采用的磨球为氧化锆球；球料比为（4~10）：1；步骤S1中球磨料的粒径≤1μm。

8.根据权利要求6所述的高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述干燥过程采用鼓风干燥箱烘干球磨料。

9.根据权利要求6所述的高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述烧结为常压烧结；所述烧结过程条件如下：

第一阶段：在真空度为20~30Pa条件下，通入流动氮气，以10℃/min速率升温至1000℃；

第二阶段：以7.5℃/min速率升温至1300℃，保温30min；

第三阶段：以7.5℃/min速率升温至1450℃，保温30min；

第四阶段：以7.5℃/min速率升温至1550~1750℃，保温60~120min；

第五阶段：随炉冷却至室温，得Sialon陶瓷材料。

10.一种权利要求1~5任一项所述高硬度Sialon陶瓷材料在制作钻头方面的应用。