CN115010469A - 一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺 - Google Patents

一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及陶瓷材料制备技术领域，具体地说，涉及一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺。其包括以下原料组成：钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，其余为氧化铝材料；其中硬度提升材料至少包括以下原料：纯钛、纯镍、纯锂、纳米级刚玉、纳米金刚石和纳米级碳化钨‑钴合金；该具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺中，加入的硬度提升材料由各类硬度较高的金属材料配制而成，加入至陶瓷材料的制备，进一步提升了陶瓷材料的硬度，从而提高耐磨性，同时由于硬度提升材料是纳米级，因此不会导致陶瓷材料的孔隙率增加，不仅不会影响致密性，同时还能提高陶瓷材料的硬度。

Description

一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及陶瓷材料制备技术领域，具体地说，涉及一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺。
背景技术
陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。
现有陶瓷材料在制备中，为了提升陶瓷材料的力学性能，通常会加入填料进行共混烧结，而加入填料后可能因为填料的粒度较大，影响陶瓷材料的致密性，而且还会产生一定的孔隙，影响陶瓷材料内部的均匀性，使得硬度和耐磨性能大打折扣，因此，需要一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺来解决现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料，包括以下重量份的原料组成：钢纤维7-11份、碳纤维5-9份、硬度提升材料11-15份、稀土材料2-7份和烧结助剂1-5份，其余为氧化铝材料；
所述硬度提升材料至少包括以下原料：纯钛、纯镍、纯锂、纳米级刚玉、纳米金刚石和纳米级碳化钨-钴合金。
作为本技术方案的进一步改进，所述稀土材料至少包括氧化钇、氧化钕和氧化钐。
作为本技术方案的进一步改进，所述烧结助剂选自氧化镁、氧化钙、二氧化硅和氧化钛中的一种或多种混合。
作为本技术方案的进一步改进，所述氧化铝材料含量为整体原料含量的94-94.4％。
作为本技术方案的进一步改进，所述氧化铝材料的纯度在99％以上。
另一方面，本发明提供了一种用于制备如上述中所述的任意一项具有高硬度的耐磨陶瓷材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按重量份称取钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料、烧结助剂和氧化铝材料备用。
S2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨。
S3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，升温烧结。
S4、在烧结完成前，通入氩气，即可制得耐磨陶瓷材料。
优选的，所述S2中，研磨时间为10-12h，直到磨细粉体粒度至2.08-2.13um停止研磨。
优选的，所述S3中，烧结温度为1540-1560℃，烧结时间为2-3h。
优选的，所述S4中，通入氩气时间为15min。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺中，加入的硬度提升材料由各类硬度较高的金属材料配制而成，加入至陶瓷材料的制备，进一步提升了陶瓷材料的硬度，从而提高耐磨性，同时由于硬度提升材料是纳米级，因此不会导致陶瓷材料的孔隙率增加，不仅不会影响致密性，同时还能提高陶瓷材料的硬度。
2、该具有高硬度的耐磨陶瓷材料及其制备工艺中，加入的稀土材料，降低了氧化铝的晶界扩散率，细化了陶瓷晶粒，使得陶瓷材料耐磨性能提高，同时促进了六铝酸钙的形成，使得体系中钙质玻璃相的含量降低，玻璃相的减少也有利于提高陶瓷的机械性能。
附图说明
图1为本发明的整体流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明实施例提供具有高硬度的耐磨陶瓷材料，包括至少以下重量份的原料：钢纤维7-11份、碳纤维5-9份、硬度提升材料11-15份、稀土材料2-7份和烧结助剂1-5份，其余为氧化铝材料。
其中硬度提升材料至少包括以下原料：纯钛、纯镍、纯锂、纳米级刚玉、纳米金刚石和纳米级碳化钨-钴合金，加入的材料由于是纳米级，因此不会导致陶瓷材料的孔隙率增加，不仅不会影响致密性，同时还能提高陶瓷材料的硬度，由于硬度的增加使得陶瓷材料的耐磨性进一步提高。
其中稀土材料至少包括氧化钇、氧化钕和氧化钐，加入氧化钇降低了氧化铝的晶界扩散率，细化了陶瓷晶粒，使得陶瓷材料耐磨性能提高，添加氧化钕能够极大的提高氧化铝陶瓷材料的耐磨性能，氧化钐的加入有利于六铝酸钙的形成，且部分钐离子固溶到六铝酸钙中，六铝酸钙熔点较低，在高温下以液相形式存在，液相含量增多，有利于氧化铝颗粒有序的溶解结晶，大大削弱了氧化铝晶粒各向异性生长所造成的微观应力，在一定程度上增强了晶界结合强度；此外，六铝酸钙的生成，使得体系中钙质玻璃相的含量降低，玻璃相的减少也有利于提高陶瓷的机械性能。
其中烧结助剂选自氧化镁、氧化钙、二氧化硅和氧化钛中的一种或多种混合，有利于提高陶瓷材料的耐磨能力。
其中氧化铝材料含量为整体原料含量的94-94.4％，氧化铝陶瓷材料内部组织均匀，晶粒细小，有较高致密性时，其抗冲蚀磨损性能比较优良，当氧化铝材料的含量提高时，可以提高陶瓷材料的致密性。
由于陶瓷材料在生产过程中，会混入杂质，这些杂质在烧结过程中被清除，但会在陶瓷材料中形成多个不规则的孔洞，从而影响陶瓷材料的致密性，因此本发明中采用的氧化铝材料的纯度在99％以上。
根据图1所示，本发明实施例还提供了用于制备上述具有高硬度的耐磨陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：
1、按重量份称取钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料、烧结助剂和氧化铝材料备用。
2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨10-12h，直到磨细粉体粒度至2.08-2.13um为止；直接采用氧化铝材料粉进行压制、烧结，制成的陶瓷产品内部组织不均匀，局部有较大的缺陷，另外晶粒粗大，且有异常长大的晶粒存在，究其原因是原料粉粒度粗大、形状不规则、流动性不好，在压制过程中不易形成组织均匀的坯体。因此在压制成型前需要对原料粉进行研磨细化。
3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，在温度为1540-1560℃的条件下烧结2-3h；在此温度范围内，陶瓷材料的体积密度较好。
4、在烧结完成前，通入氩气15min，即可制得耐磨陶瓷材料。
根据不同的原料用量，通过以下具体的实施例来对本发明提供的具有高硬度的耐磨陶瓷材料进一步说明。
实施例1
1、按重量份称取钢纤维7份、碳纤维5份、硬度提升材料11份、稀土材料2份、烧结助剂1份和氧化铝材料备用，其中氧化铝材料含量为整体含量的94％。
2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨10h，直到磨细粉体粒度至2.13um为止。
3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，在温度为1540℃的条件下烧结3h。
4、在烧结完成前，通入氩气15min，即可制得耐磨陶瓷材料。
实施例2
1、按重量份称取钢纤维8份、碳纤维6份、硬度提升材料12份、稀土材料3份、烧结助剂2份和氧化铝材料备用，其中氧化铝材料含量为整体含量的94.1％。
2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨10h，直到磨细粉体粒度至2.11um为止。
3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，在温度为1545℃的条件下烧结3h。
4、在烧结完成前，通入氩气15min，即可制得耐磨陶瓷材料。
实施例3
1、按重量份称取钢纤维9份、碳纤维7份、硬度提升材料13份、稀土材料5份、烧结助剂3份和氧化铝材料备用，其中氧化铝材料含量为整体含量的94.2％。
2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨11h，直到磨细粉体粒度至2.10um为止。
3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，在温度为1559℃的条件下烧结2.5h。
4、在烧结完成前，通入氩气15min，即可制得耐磨陶瓷材料。
实施例4
1、按重量份称取钢纤维10份、碳纤维8份、硬度提升材料14份、稀土材料6份、烧结助剂4份和氧化铝材料备用，其中氧化铝材料含量为整体含量的94.3％。
2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨12h，直到磨细粉体粒度至2.09um为止。
3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，在温度为1555℃的条件下烧结2h。
4、在烧结完成前，通入氩气15min，即可制得耐磨陶瓷材料。
实施例5
1、按重量份称取钢纤维11份、碳纤维9份、硬度提升材料15份、稀土材料7份、烧结助剂5份和氧化铝材料备用，其中氧化铝材料含量为整体含量的94.4％。
2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨12h，直到磨细粉体粒度至2.08um为止。
3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，在温度为1560℃的条件下烧结2h。
4、在烧结完成前，通入氩气15min，即可制得耐磨陶瓷材料。
上述实施例1-5中所用的原料配比，如表1所示：
表1
Figure BDA0003708921110000061
为了验证本发明实施例制备的陶瓷材料具有高硬度和高耐磨性，本发明通过以下对比例来对本发明实施例提供的具有高硬度的耐磨陶瓷材料进行比较说明。
对比例1
采用实施例1的制备方法，本对比例中所用材料只去除了硬度提升材料，其余不变，具体制备步骤如下：
1、按重量份称取钢纤维7份、碳纤维5份、稀土材料2份、烧结助剂1份和氧化铝材料备用，其中氧化铝材料含量为整体含量的94％。
2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨10h，直到磨细粉体粒度至2.13um为止。
3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、稀土材料和烧结助剂，在温度为1540℃的条件下烧结3h。
4、在烧结完成前，通入氩气15min，即可制得耐磨陶瓷材料。
对比例2
采用实施例2的制备方法，本对比例中所用材料只去除了硬度提升材料，其余不变，具体制备步骤及参数与对比例1相同，本对比例不在赘述。
对比例3
采用实施例3的制备方法，本对比例中所用材料只去除了硬度提升材料，其余不变，具体制备步骤及参数与对比例1相同，本对比例不在赘述。
对比例4
采用实施例4的制备方法，本对比例中所用材料只去除了硬度提升材料，其余不变，具体制备步骤及参数与对比例1相同，本对比例不在赘述。
对比例5
采用实施例5的制备方法，本对比例中所用材料只去除了硬度提升材料，其余不变，具体制备步骤及参数与对比例1相同，本对比例不在赘述。
对比例6
采用实施例1的制备方法，本对比例中所用材料只去除了稀土材料，其余不变，具体制备步骤如下：
1、按重量份称取钢纤维7份、碳纤维5份、硬度提升材料11份、烧结助剂1份和氧化铝材料备用，其中氧化铝材料含量为整体含量的94％。
2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨10h，直到磨细粉体粒度至2.13um为止。
3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料和烧结助剂，在温度为1540℃的条件下烧结3h。
4、在烧结完成前，通入氩气15min，即可制得耐磨陶瓷材料。
对比例7
采用实施例2的制备方法，本对比例中所用材料只去除了稀土材料，其余不变，具体制备步骤及参数与对比例6相同，本对比例不在赘述。
对比例8
采用实施例3的制备方法，本对比例中所用材料只去除了稀土材料，其余不变，具体制备步骤及参数与对比例6相同，本对比例不在赘述。
对比例9
采用实施例4的制备方法，本对比例中所用材料只去除了稀土材料，其余不变，具体制备步骤及参数与对比例6相同，本对比例不在赘述。
对比例10
采用实施例5的制备方法，本对比例中所用材料只去除了稀土材料，其余不变，具体制备步骤及参数与对比例6相同，本对比例不在赘述。
上述对比例1-10中所用的原料配比，如表2所示：
表2
Figure BDA0003708921110000081
将上述实施例1-5和对比例1-10制备的陶瓷材料进行硬度、抗压强度和耐磨性能的检测，具体指标见表3-表5：
表3实施例1-5陶瓷材料的性能检测指标
Figure BDA0003708921110000082
Figure BDA0003708921110000091
根据表3所示，本发明实施例1-5中，陶瓷材料的硬度在88-92HRA之间，抗压强度在870-880Mpa之间，磨损率在1.5-1.9％之间。
表4对比例1-5陶瓷材料的性能检测指标
硬度(HRA) 抗压强度(Mpa) 磨损率(％)
对比例1 82 845 2.9
对比例2 82 850 2.9
对比例3 83 860 2.6
对比例4 84 855 2.5
对比例5 84 860 2.5
根据表4所示，本发明对比例1-5中，陶瓷材料的硬度在82-84HRA之间，抗压强度在845-860Mpa之间，磨损率在2.5-3.1％之间。
表5对比例6-10陶瓷材料的性能检测指标
硬度(HRA) 抗压强度(Mpa) 磨损率(％)
对比例6 85 850 2.3
对比例7 84 850 2.4
对比例8 87 865 2.0
对比例9 85 865 2.2
对比例10 86 865 2.2
根据表5所示，本发明对比例6-10中，陶瓷材料的硬度在84-87HRA之间，抗压强度在850-865HRA之间，磨损率在2.0-2.4％之间。
根据上述表3-表5可以看出，实施例1-5制备的陶瓷材料各项指标都是优于对比例1-10制备的陶瓷材料，而对比例6-10相较于对比例1-5各项指标略高，因此，可以说明本发明中硬度提升材料和稀土材料是影响陶瓷材料硬度和耐磨性的主要因素，尤其硬度提升材料影响最明显。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种具有高硬度的耐磨陶瓷材料，其特征在于，包括以下重量份的原料组成：钢纤维7-11份、碳纤维5-9份、硬度提升材料11-15份、稀土材料2-7份和烧结助剂1-5份，其余为氧化铝材料；
所述硬度提升材料至少包括以下原料：纯钛、纯镍、纯锂、纳米级刚玉、纳米金刚石和纳米级碳化钨-钴合金。
2.根据权利要求1所述的具有高硬度的耐磨陶瓷材料，其特征在于：所述稀土材料至少包括氧化钇、氧化钕和氧化钐。
3.根据权利要求1所述的具有高硬度的耐磨陶瓷材料，其特征在于：所述烧结助剂选自氧化镁、氧化钙、二氧化硅和氧化钛中的一种或多种混合。
4.根据权利要求1所述的具有高硬度的耐磨陶瓷材料，其特征在于：所述氧化铝材料含量为整体原料含量的94-94.4％。
5.根据权利要求1所述的具有高硬度的耐磨陶瓷材料，其特征在于：所述氧化铝材料的纯度在99％以上。
6.一种用于制备如权利要求1-5中所述的任意一项具有高硬度的耐磨陶瓷材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按重量份称取钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料、烧结助剂和氧化铝材料备用；
S2、将氧化铝材料通过球磨机进行研磨；
S3、将研磨后的氧化铝材料加入至烧结炉中，然后依次加入钢纤维、碳纤维、硬度提升材料、稀土材料和烧结助剂，升温烧结；
S4、在烧结完成前，通入氩气，即可制得耐磨陶瓷材料。
7.根据权利要求1所述的具有高硬度的耐磨陶瓷材料的制备工艺，其特征在于：所述S2中，研磨时间为10-12h，直到磨细粉体粒度至2.08-2.13um停止研磨。
8.根据权利要求1所述的具有高硬度的耐磨陶瓷材料的制备工艺，其特征在于：所述S3中，烧结温度为1540-1560℃，烧结时间为2-3h。
9.根据权利要求1所述的具有高硬度的耐磨陶瓷材料的制备工艺，其特征在于：所述S4中，通入氩气时间为15min。
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