CN1317224C

CN1317224C - 氧化铝系多相复合结构陶瓷材料及其生产方法

Info

Publication number: CN1317224C
Application number: CNB2004100240853A
Authority: CN
Inventors: 许崇海; 黄传真; 艾兴
Original assignee: Shandong Institute of Light Industry
Current assignee: Shandong Institute of Light Industry
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: CN1569733A

Abstract

本发明涉及一种氧化铝系多相复合结构陶瓷材料及其生产方法。本发明的氧化铝系多相复合结构陶瓷材料，是由以下体积百分比的组分组成，α-Al₂O₃89.5～50%，β-SiC5～25%，Ti(C，N)5～25%，Y₂O₃0.3～0.7%，MgO0.2～0.8%。与已有发明相比较，本发明的主要特色能有效提高材料的力学性能和使用性能。本发明的生产方法具有操作简单，成品力学性能高的优点。

Description

氧化铝系多相复合结构陶瓷材料及其生产方法

(一)所属技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料及其生产方法，特别涉及一种氧化铝系多相复合结构陶瓷材料及其生产方法。

(二)背景技术

研究表明，多相复合陶瓷材料是21世纪先进结构陶瓷材料的三大发展趋势之一。而且，陶瓷材料向多相方向发展，为陶瓷材料设计提供了更宽的思考余地。目前，对于多相复合陶瓷材料的研究已经遍及各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物陶瓷，增韧机理主要分为如下几类：颗粒增韧、晶须增韧(增韧效果好，但工艺复杂，成本高)和相变增韧(增韧效果好，但高温性能较差)。其中颗粒增韧以其工艺简单、成本低、高温性能好等优势，在结构陶瓷材料领域得到了广泛的应用。对于颗粒弥散陶瓷，材料组分主要涉及到TiB₂-TiC-SiC、Al₂O₃/SiC/TiC、Al₂O₃/TiC/Si₃N₄等。从应用的角度考虑，仅有这些种类的陶瓷材料是远远不够的，而且材料的力学性能和使用性能也仍有待于进一步提高，新的增韧补强机理也有待于探讨。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好的综合力学性能的氧化铝系多相复合结构陶瓷材料，以及上述陶瓷材料的生产方法。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明的氧化铝系多相复合结构陶瓷材料，是由以下体积百分比的组分组成，α-Al₂O₃89.5～50％，β-SiC5～25％，Ti(C，N)5～25％，Y₂O₃0.3～0.7％，MgO0.2～0.8％。

本发明的氧化铝系多相复合结构陶瓷材料，其更优选的配比是由以下体积百分比的组分组成，α-Al₂O₃80～60％，β-SiC10～20％，Ti(C，N)10～20％，Y₂O₃0.3～0.7％，MgO0.2～0.5％。

上述的Ti(C，N)的C、N元素的摩尔比为0.3～0.7∶0.7～0.3。

为了实现最佳的力学性能，上述各组分的纯度应大于99％，平均直径不大于1μm。

上述陶瓷材料的生产方法为，将各组分原料按比例混合，以N₂气为保护气氛，湿式球磨30-100h，干燥，在N₂气流中过筛，最后热压烧结成型，热压工艺参数为：热压压力30～35MPa，热压温度1750℃～1850℃，保温时间为30～90min。

上述的生产方法，其热压烧结成型时，最佳的升温速率为0.5～1.0℃/s、降温速率为0.3～0.75℃/s。

上述的生产方法，为了提高纯度，所述的α-Al₂O₃粉末和Ti(C，N)粉末混合前，均采用稀HNO₃和稀NaOH溶液加热清洗10-30min。

本发明将陶瓷原材料Al₂O₃与SiC、Ti(C，N)、Y₂O₃、MgO热压复合，从而形成Al₂O₃/SiC/Ti(C，N)复合材料。该复合材料具有良好的力学性能和耐高温、耐腐蚀、抗氧化性能，可用于制作刀具、耐磨零部件等工程材料。

在该工艺条件下，材料的致密度可达到98％以上。测试结果表明：所研制的Al₂O₃/SiC/Ti(C，N)多相复合陶瓷材料具有良好的综合力学性能，其抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为721MPa、5.4MPam^1/2以及19.0GPa。

与已有发明相比较，本发明的主要特色在于以多相复合和固溶强化协同作用的方式，研制成功颗粒弥散Al₂O₃/SiC/Ti(C，N)复合材料。由于固溶体的力学性能高于其每一组成相(TiC，TiN))的力学性能，因此Ti(C，N)固溶体的添加能有效提高材料的力学性能。而且Ti(C，N)固溶体的抗粘结性能明显优于其他硬质材料如TiC等，因此该材料也具有良好的使用性能。

本发明的生产方法具有操作简单，成品力学性能高的优点。

(四)具体实施方式

实施例1

本实施例的陶瓷复合材料，其各组成组分的体积百分比为：α-Al₂O₃84％，β-SiC10％，Ti(C，N)5％，Y₂O₃0.6％，MgO0.4％。

其生产方法为：采用分析纯Al(OH)₃分解制备α-Al₂O₃，分解温度为1200℃，时间为2小时，得到纯度大于99％、平均直径小于1μm的α-Al₂O₃粉末。所采用的β-SiC和Ti(C，N)粉末纯度均大于99％，粒径分别为0.8μm和1μm。在使用前采用稀HNO₃和稀NaOH溶液加热清洗10min，以减少杂质含量。将各组分原料按上述比例混合，混合料以无水乙醇为介质，以N₂气为保护气氛，湿式球磨40h，料球比(重量比)为1∶5。球磨后的湿料经真空干燥24小时，在N₂气流中过筛，最后热压烧结制成样品。热压工艺参数为：热压压力30MPa，热压温度1750℃，保温时间为80min。

制得的陶瓷材料，其抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为682MPa、5.2MPam^1/2以及18.9GPa。

实施例2

本实施例的陶瓷复合材料，其各组成组分的体积百分比为：α-Al₂O₃69％，β-SiC15％，Ti(C，N)15％，Y₂O₃0.5％，MgO0.5％。

其生产方法为：采用分析纯Al(OH)₃分解制备α-Al₂O₃，分解温度为1200℃，时间为1.5小时，得到纯度大于99％、平均直径小于1μm的α-Al₂O₃粉末。所采用的β-SiC和Ti(C，N)粉末纯度均大于99％，粒径分别为0.8μm和1μm。在使用前采用稀HNO₃和稀NaOH溶液加热清洗20min，以减少杂质含量。将各组分原料按上述比例混合，混合料以无水乙醇为介质，以N₂气为保护气氛，湿式球磨60h，料球比(重量比)为1∶7。球磨后的湿料经真空干燥32小时，在N₂气流中过筛，最后热压烧结制成样品。热压工艺参数为：热压压力35MPa，热压温度1800℃，保温时间为60min，升温速率为0.5～1.0℃/s，降温速率为0.3～0.75℃/s。

制得的陶瓷材料，其抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为716MPa、5.3MPam^1/2以及19.0GPa。

实施例3

本实施例的陶瓷复合材料，其各组成组分的体积百分比为：α-Al₂O₃58.8％，β-SiC20％，Ti(C，N)20％，Y₂O₃0.4％，MgO0.8％。

其生产方法为：按比例取纯度大于99％、平均粒度小于1μm的上述各原料，将各原料混合，混合料以无水乙醇为介质，以N₂气为保护气氛，湿式球磨80h，料球比(重量比)为1∶10。球磨后的湿料经真空干燥48小时，在N₂气流中过筛，最后热压烧结制成样品。热压工艺参数为：热压压力35MPa，热压温度1850℃，保温时间为45min。

制得的陶瓷材料，其抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为671MPa、5.2MPam^1/2以及19.0GPa。

Claims

1.一种氧化铝系多相复合结构陶瓷材料，其特征在于：是由以下体积百分比的组分组成，α-Al₂O₃89.5～50％，β-SiC5～25％，Ti(C，N)5～25％，Y₂O₃0.3～0.7％，MgO0.2～0.8％。

2.根据权利要求1所述的氧化铝系多相复合结构陶瓷材料，其特征在于：所述组分的体积百分比的组分，α-Al₂O₃80～60％，β-SiC10～20％，Ti(C，N)10～20％，Y₂O₃0.3～0.7％，MgO0.2～0.8％。

3.根据权利要求1或2所述的氧化铝系多相复合结构陶瓷材料，其特征在于：所述Ti(C，N)的C、N元素的摩尔比为0.3～0.7∶0.7～0.3。

4.根据权利要求1或2所述的氧化铝系多相复合结构陶瓷材料，其特征在于：所述组分的纯度大于99％，平均直径不大于1μm。。

5.一种权利要求4所述的陶瓷材料的生产方法，其特征在于：将各组分原料按比例混合，以N₂气为保护气氛，湿式球磨30-100h，干燥，过筛，最后热压烧结成型，热压工艺参数为：热压压力30～35MPa，热压温度1750℃～1850℃，保温时间为30～90min。

6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：所述的热压烧结成型时，其升温速率为0.5～1.0℃/s，降温速率为0.3～0.75℃/s。

7.根据权利要求5所述的陶瓷材料的生产方法，其特征在于：所述的α-Al₂O₃粉末、β-SrC和Ti(C，N)粉末混合前，均采用稀HNO₃和稀NaOH溶液加热清洗10-30min。