CN1325430C - 混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属陶瓷材料领域，特别是涉及一种利用混合稀土和铝碳钛中间合金增韧补强的氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法。该复合材料含有氧化铝和碳化钛，其特征是它还含有氮化镧、氮化铈、氮化镨、氮化钕中的至少两种化合物。制备方法是首先采用硬质合金球将AlTiC中间合金与混合稀土和Al₂O₃混磨，再放入真空干燥箱里进行干燥、烘干，使粉料通过100目筛，制得混合粉体；再将混合粉体装入石墨模具中模压成型，在氮气气氛下热压烧结。该复合材料制备工艺简单，原材料成本低，尤其适合于陶瓷喷沙嘴、轴承等对耐磨性要求较高的零部件。

Description

混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域：

本发明属陶瓷材料领域，特别是涉及一种利用混合稀土和铝碳钛(AlTiC)中间合金增韧补强的氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术：

氧化铝(Al₂O₃)陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性等优点，然而其本身的脆性限制了应用范围。近年来，目前已开发了多种氧化铝基陶瓷材料的增韧方法，例如，将铝、镍、铬等金属颗粒弥散在氧化铝中，通过金属颗粒的桥联和塑性变形消耗能量，达到增韧效果。但这种增韧方式的结果是氧化铝陶瓷材料的强度和硬度降低，电绝缘性和化学稳定性变差。利用SiC晶须增韧、ZrO₂相变增韧、TiC颗粒增韧以及纳米材料增韧，可以收到较好的增韧效果，但均有不同程度的缺陷。晶须增韧难以解决晶须毒性及其在基体中的均匀分布；ZrO₂在受应力作用下产生马氏体相变的相变增韧，其增韧效果随温度升高急剧下降。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用混合稀土和铝碳钛(AlTiC)中间合金增韧补强的氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法，该复合材料增韧补强效果好，生产成本低。

本发明是通过以下方式实现的：

混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料，含有氧化铝和碳化钛，其特征是它还含有氮化镧、氮化铈、氮化镨、氮化钕中的至少两种化合物。

上述混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1)配料：按AlTiC中间合金5-8％、Al₂O₃90-92％、余为混合稀土的质量百分比准备原材料，混合稀土由稀土元素钕(Nd)、铈(Ce)、镧(La)、镨(Pr)中的至少两种组成；

2)球磨：将AlTiC中间合金粉碎并与混合稀土和Al₂O₃混磨，再放入真空干燥箱里进行干燥、烘干，最后使用100目筛筛选：

3)烧结：将球磨后的混合粉料装入石墨模具中，采用氮气气氛保护，在1450℃-1550℃、25MPa-30MPa条件下保温保压30-50分钟热压烧结。

上述混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征是AlTiC中间合金中各元素的质量百分比为铝90％、钛8％、碳2％。

上述混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征是混合稀土各元素的质量百分比为镧35％、铈50％、镨5％、余为钕。

本发明因由于在氮气气氛下烧结，高温下稀土元素氮化，生成氮化物，使得材料力学性能的提高。通过X射线衍射图分析可知，烧结体中存在NdN、CeN、LaN、PrN等氮化物和少量NdC₂、CeC₂等碳化物。氮化物的形成使得材料的颜色呈褐色，碳化物的形成是由于采用石墨模具的缘故。本发明由于采用AlTiC中间合金作为烧结助剂，高温下形成液相烧结。液相不仅阻碍晶粒生长，降低烧结温度，还可以提高烧结动力，促进渗氮过程，有利于材料力学性能的进一步提高。

该复合材料制备工艺简单，原材料成本低，尤其适合于陶瓷喷沙嘴、轴承等对耐磨性要求较高的零部件。本发明对实现低成本制备高性能的氧化铝基陶瓷复合材料具有重要的意义。

具体实施方式：

下面给出本发明的两个最佳实施例：

实施例一：首先将铝粉在中频感应炉中加热至900-1250℃，然后将钛粉和碳粉按4∶1的质量百分比加入铝液中，保温3-8分钟，制备铝钛碳中间合金；铝钛碳中间合金中各元素质量百分比为铝90％、碳8％、碳2％。将制得的铝钛碳中间合金与混合稀土、工业纯氧化铝按AlTiC中间合金7.5％、混合稀土0.5％、工业纯氧化铝92％的质量百分比称取原料；混合稀土由稀土元素镧、铈、镨、钕组成，各组成元素的质量百分比为镧35％，铈50％，镨5％，钕10％；采用硬质合金球混合球磨，球磨后的粉料通过100目筛，制得混合粉体。将混合粉体材料装入石墨模具中模压成型，在氮气气氛热压烧结，烧结温度1550℃，烧结压力30 MPa，保温30分钟。气体压力0.02Mpa，气体流量0.01m³/min。实验结果表明，复合材料的室温抗弯强度为617.6MPa，维氏硬度HV为20.7 GPa，断裂韧性为5.77MPa。

实施例二：其它同实施例一，不同之处是将制得的铝钛碳中间合金与氧化铝、混合稀土按铝钛碳中间合金6％、氧化铝92％、混合稀土2％的质量百分比准备原料，混合稀土由稀土元素La、Ce组成。烧结温度1450℃，烧结压力25MPa，保温40分钟。制得的氧化铝基陶瓷材料的室温抗弯强度为618.4MPa，维氏硬度HV为18.7 GPa，断裂韧性为5.92MPa。

Claims (4)

1.混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料，含有氧化铝和碳化钛，其特征是它还含有氮化镧、氮化铈、氮化镨、氮化钕中的至少两种化合物。

2.根据权利要求1所述的混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：

1)配料：按AlTiC中间合金5-8％、Al₂O₃90-92％、余为混合稀土的质量百分比准备原材料，混合稀土由稀土元素钕、铈、镧、镨中的至少两种组成；

2)球磨：将AlTiC中间合金粉碎并与混合稀土和Al₂O₃混磨，再放入真空干燥箱里进行干燥、烘干，最后使用100目筛筛选；

3)烧结：将球磨后的混合粉料装入石墨模具中，采用氮气气氛保护，在1450℃-1550℃、25MPa-30MPa条件下保温保压30-50分钟热压烧结。

3.根据权利要求2所述的混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征是AlTiC中间合金中各元素的质量百分比为铝90％、钛8％、碳2％。

4.根据权利要求2所述的混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征是混合稀土各元素的质量百分比为镧35％、铈50％、镨5％、余为钕。