CN110981497A - 一种高导热高耐磨的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷技术领域，公开一种高导热高耐磨的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用，所述氮化硅陶瓷是将具有金属镀层的金刚石、Si3N4、烧结助剂MgO和Yb2O3粉料加入乙醇和Si3N4球磨介质中球磨混料，球磨干燥后得到混合粉体；将混合粉体在保护气氛下，加以30～100Mpa轴向压力，加热到1600～1700℃并保温，经过放电等离子烧结制得。本发明的氮化硅陶瓷具有高的导热性和耐磨性，具有良好的切削性能和切削寿命，可应用在陶瓷刀具领域中。

Description

一种高导热高耐磨的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于陶瓷技术领域，具体涉及一种高导热高耐磨的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，具有硬度高、抗热震性好等优良特性，并且高温性能优良，在1300℃仍能保持较高的硬度，化学稳定性高，Si3N4陶瓷被广泛应用于切削刀具领域。但是，在切削高温合金、镍基合金等难加工材料时，切削温度高导致刀具寿命不长，需要进一步提高刀具材料的导热性和耐磨性。金刚石是自然界中最硬的材料，聚晶金刚石作为一种超硬刀具材料被广泛应用于切削加工领域。金刚石虽然具有高硬度，高导热性、高耐磨性。但是在高温下容易石墨化，不利于延长刀具寿命，同时，金刚石韧性低、刀具难以加工制备，成本高。结合Si3N4高温稳定性和金刚石高耐磨性高导热性的特点，可以开发具有高导热、高耐磨的氮化硅陶瓷刀具材料。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种高导热高耐磨的氮化硅陶瓷。该陶瓷为含具有金属镀层金刚石颗粒的Si3N4基复合陶瓷，其金刚石颗粒具有较低的石墨化程度。
本发明另一目的在于提供一种上述高导热高耐磨的氮化硅陶瓷的制备方法。
本发明再一目的在于提供一种上述高导热高耐磨的氮化硅陶瓷的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种高导热高耐磨的氮化硅陶瓷，所述氮化硅陶瓷是将具有金属镀层的金刚石、Si3N4、烧结助剂MgO和Yb2O3粉料加入乙醇和Si3N4球磨介质中球磨混料，球磨干燥后得到混合粉体；将混合粉体在保护气氛下，加以30～100MPa轴向压力，加热到1600～1700℃并保温，经过放电等离子烧结制得。
优选地，所述具有金属镀层的金刚石的粒径为10～80μm；所述具有金属镀层的金刚石中金属镀层为Ni或Ti，所述金属镀层的厚度为100～200nm。
优选地，所述氮化硅陶瓷的相对密度为95～100％。
优选地，所述Si3N4粉的纯度为95～100wt.％，Si3N4粉的粒径为0.1～5μm；所述MgO粉的纯度为97～100wt.％，MgO粉的粒径为70～120nm；所述Yb2O3粉的纯度为97～100wt.％，Yb2O3粉的粒径为1～7μm。
优选地，所述具有金属镀层的金刚石：Si3N4：MgO-Yb2O3的质量比为(1～3)：(6～8)：1，其中MgO：Yb2O3的质量比(2～3)：(3～2)；具有金属镀层的金刚石、Si3N4、烧结助剂MgO和Yb2O3粉料的总质量和Si3N4球的质量比为(1～2)：1。
优选地，所述加热的速率为100～200℃/min，所述保温的时间为5～10min，所述保护气氛为N2或Ar。
所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷的制备方法，包括以下具体步骤：
S1.将具有金属镀层的金刚石、Si3N4、烧结助剂MgO和Yb2O3粉料置于尼龙球磨罐中，并加入乙醇和Si3N4球在罐磨机上进行球磨混料，然后进行干燥，获得混合粉体；
S2.将混合粉体置于石墨磨具中，放入炉中进行烧结，在N2气或Ar气保护下，加以30～100MPa轴向压力，以100～200℃/min加热速率，加热到1600～1700℃，保温5～10min，进行放电等离子烧结，得到含金属镀层金刚石颗粒的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷。
优选地，步骤S1中所述Si3N4球的直径为5～10mm，所述球磨的时间为12～24h，所述球磨的转速为100～150r/min。
优选地，步骤S2中所述放电等离子烧结的开时脉冲宽度为8～12ms，关时脉冲宽度为4～6ms。
所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷在刀具领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明氮化硅陶瓷具有高导热和高耐磨性，其含有金属镀层的金刚石颗粒，结合Si3N4高温稳定性和金刚石高耐磨性高导热性的特点。
2.本发明将金刚石颗粒镀上金属膜，能够抑制金刚石颗粒在高温烧结过程中石墨化，以及增强金刚石与Si3N4基体的界面结合强度。
3.本发明制备的陶瓷具有良好的切削性能和切削寿命，可以应用在切削刀具领域，用来切削石材、木材、有色金属、铝合金、高温合金等。
附图说明
图1为实施例1中含10wt.％的镀Ti金刚石的Si3N4基陶瓷抛光面SEM显微照片；
图2为实施例2中含20wt.％的镀Ti金刚石的Si3N4基陶瓷抛光面SEM显微照片；
图3为实施例3中含30wt.％的镀Ti金刚石的Si3N4基陶瓷抛光面SEM显微照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.镀Ti金刚石(10％质量分数)，粒径64μm，Ti膜厚度150nm；Si3N4(80％质量分数)，粒径0.5μm，纯度99.99wt.％；MgO(5％质量分数)，粒径100nm，纯度99.99wt.％；Yb2O3(5％质量分数)，粒径3μm，纯度99.99％。将所述粉料置于尼龙球磨罐中，加入乙醇和直径为5～10mm的Si3N4球作为球磨介质，球磨时间为24h，转速为120r/min，球磨干燥后获得混合粉体。
2.将混合粉体在N2气氛下，加以35MPa轴向压力，以100℃/min速率加热到1600℃，保温10min，经过放电等离子烧结，放电等离子电流为直流脉冲电，开时直流脉冲宽度为10ms、关时直流脉冲宽度为5ms，制得致密度为97％的含镀Ti的金刚石颗粒的Si3N4基陶瓷。
图1为实施例1中含10wt.％镀Ti的金刚石的Si3N4基陶瓷抛光面SEM显微照片，从图1可以看出镀Ti金刚石颗粒分布均匀，与Si3N4基体陶瓷结合良好。
实施例2
1.镀Ti金刚石(20％质量分数)，粒径64μm，Ti膜厚度150nm；Si3N4(70％质量分数)，粒径0.5μm，纯度99.99wt.％；MgO(5％质量分数)，粒径100nm，纯度99.99wt.％；Yb2O3(5％质量分数)，粒径3μm，纯度99.99％。将所述粉料置于尼龙球磨罐中，加入乙醇和直径为5～10mm的Si3N4球作为球磨介质，球磨时间为24h，转速为120r/min，球磨干燥后获得混合粉体。
2.将混合粉体在N2气氛下，加以35MPa轴向压力，以100℃/min速率加热到1600℃，保温10min，经过放电等离子烧结，放电等离子电流为直流脉冲电，开时直流脉冲宽度为10ms，关时直流脉冲宽度为5ms，制得致密度为96％的含镀Ti的金刚石颗粒的Si3N4基陶瓷。
图2为实施例2中含20wt.％镀Ti的金刚石的Si3N4基陶瓷抛光面SEM显微照片，从图2可以看出镀Ti金刚石颗粒分布均匀，与Si3N4基体陶瓷结合良好。
实施例3
1.镀Ti金刚石(30％质量分数)，粒径64μm，Ti膜厚度150nm；Si3N4(60％质量分数)，粒径0.5μm，纯度99.99wt.％；MgO(5％质量分数)，粒径100nm，纯度99.99wt.％；Yb2O3(5％质量分数)，粒径3μm，纯度99.99％。将所述粉料置于尼龙球磨罐中，加入乙醇和直径为5～10mm的Si3N4球作为球磨介质，球磨时间为24h，转速为120r/min，球磨干燥后获得混合粉体。
2.将混合粉体在N2气氛下，加以35MPa轴向压力，以100℃/min速率加热到1600℃，保温10min，经过放电等离子烧结，放电等离子电流为直流脉冲电，开时直流脉冲宽度为15ms，关时直流脉冲宽度为5ms，制得致密度为96％的含镀Ti的金刚石颗粒的Si3N4基陶瓷。
图3为实施例3中含30wt.％镀Ti的金刚石的Si3N4基陶瓷抛光面SEM显微照片，从图3可以看出镀Ti金刚石颗粒分布均匀，与Si3N4基体陶瓷结合良好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高导热高耐磨的氮化硅陶瓷，其特征在于，所述氮化硅陶瓷是将具有金属镀层的金刚石、Si3N4、烧结助剂MgO和Yb2O3粉料加入乙醇和Si3N4球磨介质中球磨混料，球磨干燥后得到混合粉体；将混合粉体在保护气氛下，加以30～100MPa轴向压力，加热到1600～1700℃并保温，经过放电等离子烧结制得。
2.根据权利要求1所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷，其特征在于，所述具有金属镀层中金刚石的粒径为10～80μm；所述具有金属镀层的金刚石中金属镀层为Ni或Ti，所述金属镀层的厚度为100～200nm。
3.根据权利要求1所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷，其特征在于，所述氮化硅陶瓷的相对密度为95～100％。
4.根据权利要求1所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷，其特征在于，所述Si3N4粉的纯度为95～100wt.％，Si3N4粉的粒径为0.1～5μm；所述MgO粉的纯度为97～100wt.％，MgO粉的粒径为70～120nm；所述Yb2O3粉的纯度为97～100wt.％，Yb2O3粉的粒径为1～7μm。
5.根据权利要求1所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷，其特征在于，所述具有金属镀层的金刚石：Si3N4：MgO-Yb2O3的质量比为(1～3)：(6～8)：1，其中MgO：Yb2O3的质量比(2～3)：(3～2)；具有金属镀层的金刚石、Si3N4、烧结助剂MgO和Yb2O3粉料的总质量和Si3N4球的质量比为(1～2)：1。
6.根据权利要求1所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷，其特征在于，所述加热的速率为100～200℃/min，所述保温的时间为5～10min，所述保护气氛为N2或Ar。
7.根据权利要求1～6任一项所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.将具有金属镀层的金刚石、Si3N4、烧结助剂MgO和Yb2O3粉料置于尼龙球磨罐中，并加入乙醇和Si3N4球在罐磨机上进行球磨混料，然后进行干燥，获得混合粉体；
S2.将混合粉体置于石墨磨具中，放入炉中进行烧结，在N2气或Ar气保护下，加以30～100MPa轴向压力，以100～200℃/min加热速率，加热到1600～1700℃，保温5～10min，进行放电等离子烧结，得到含金属镀层金刚石颗粒的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷。
8.根据权利要求7所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述Si3N4球的直径为5～10mm，所述球磨的时间为12～24h，所述球磨的转速为100～150r/min。
9.根据权利要求7所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述放电等离子烧结的开时脉冲宽度为8～12ms，关时脉冲宽度为4～6ms。
10.权利要求1-7任一项所述的高导热高耐磨的氮化硅陶瓷在刀具领域中的应用。
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