專利名稱：碳化鉻與碳氮化鈦顆粒彌散強韌化氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，特別涉及一種碳化鉻(Cr3C2)與碳氮化鈦(Ti(C，N))顆粒彌散強韌化氧化鋁(Al2O3)基陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代陶瓷材料以其優(yōu)異的物理力學(xué)性能和使用性能，在機械、電子、航空、航天、石油、化工等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，陶瓷材料的弱點是其本征脆性。為了改善陶瓷材料的脆性，提高其強度和韌性，眾多學(xué)者已作了大量研究，而且也已取得不同程度的進(jìn)展。研究表明，多相復(fù)合陶瓷材料是當(dāng)前結(jié)構(gòu)陶瓷材料的三大發(fā)展趨勢之一，也是該領(lǐng)域的研究熱點之一。而且，陶瓷材料向多相方向發(fā)展，為陶瓷材料設(shè)計提供了更寬的思考余地。其中，以陶瓷硬質(zhì)顆粒作為彌散相增韌補強的Al2O3基多相復(fù)合陶瓷以其工藝簡單、成本低、高溫性能好等優(yōu)勢，在結(jié)構(gòu)陶瓷材料領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，材料組分主要涉及到氧化鋁/碳化硅/碳化鈦(Al2O3/SiC/TiC)、氧化鋁/碳化鈦/氮化硅(Al2O3/TiC/Si3N4)、氧化鋁/碳化硅/碳化鎢鈦(Al2O3/SiC/(W，Ti)C)、氧化鋁/碳硅/碳氮化鈦(Al2O3/SiC/Ti(C，N))以及氧化鋁/碳化鉻/碳化鎢鈦(Al2O3/Cr3C2/(W，Ti)C)等。但是，顆粒彌散陶瓷材料的增韌效果一直不理想，材料的斷裂韌性一般均在6MPa·m1/2以下。雖有文獻(xiàn)報道Al2O3/Cr3C2/(W，Ti)C陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性可達(dá)8.92MPa·m1/2，但其抗彎強度和硬度均較低，分別僅為496MPa和16.84GPa。因此，不但材料的綜合力學(xué)性能有待于進(jìn)一步提高，而且材料種類也有待于進(jìn)一步擴展。

發(fā)明內(nèi)容為了克服已有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種碳化鉻(Cr3C2)與碳氮化鈦(Ti(C，N))顆粒彌散強韌化氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明的Al2O3基陶瓷復(fù)合材料，以Al2O3陶瓷為基體，同時添加Cr3C2和Ti(C，N)陶瓷硬質(zhì)顆粒作為彌散相，以氧化釔(Y2O3)和氧化鎂(MgO)作為燒結(jié)助劑熱壓燒結(jié)而成。
本發(fā)明的Al2O3基陶瓷復(fù)合材料，是由以下組分組成，Cr3C2為5～30％，Ti(C，N)為5～30％，Y2O3為0.2～2％，MgO為0.2～1％，其余為Al2O3，均為體積百分比。
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述彌散相Cr3C2的體積百分比為10～20％，所述彌散相Ti(C，N)的體積百分比為10～20％，所述燒結(jié)助劑Y2O3的體積百分比為0.4～1.5％，所述燒結(jié)助劑MgO的體積百分比為0.5～0.8％。
優(yōu)選的，上述各組分中，所用的Al2O3和Cr3C2是市售α-Al2O3和Cr3C2粉末，其純度均大于99％，平均粒度均為1μm～2μm；所用的Ti(C，N)粉末純度大于99％，平均粒度為0.5μm～1.5μm。
本發(fā)明的Al2O3基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，步驟如下(1)將上述各組分原料按比例混合，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球為研磨體，球磨20～80小時；(2)然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在上述惰性氣體氣流中過篩，得到粉料，密封備用；(3)采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟(2)所得的粉料壓模燒結(jié)成型。
優(yōu)選的，步驟(1)中各組分原料與硬質(zhì)合金球的料球重量比為1∶8～10。
優(yōu)選的，上述步驟(3)的操作如下先將步驟(2)所得的粉料裝入石墨模具，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，保護(hù)氣氛為惰性氣體；熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力28～30MPa，熱壓溫度1650℃～1750℃，保溫時間20～45分鐘。得產(chǎn)品碳化鉻(Cr3C2)與碳氮化鈦(Ti(C，N))顆粒彌散強韌化氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料。
優(yōu)選的，上述惰性氣體是氮氣、氬氣之一。
本發(fā)明的Al2O3基陶瓷復(fù)合材料，通過同時添加Cr3C2和Ti(C，N)兩相硬質(zhì)顆粒作為彌散相，同時提高材料的強度、韌性和硬度，顯著改善了材料的力學(xué)性能和使用性能，而且具有制備方法簡單、成本低的優(yōu)點。與已有多相復(fù)合陶瓷相比，該復(fù)合材料具有更好的綜合力學(xué)性能和優(yōu)良的耐磨損、耐腐蝕、抗氧化及抗熱震性能，可用于制作模具、刀具、噴嘴、耐磨耐蝕零部件等。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。各實施例的組分中，所用的Al2O3和Cr3C2是市售α-Al2O3和Cr3C2粉末，其純度均大于99％，平均粒度均為1μm；所用的Ti(C，N)粉末純度大于99％，平均粒度為0.5μm。
實施例1本實施例的Al2O3基陶瓷復(fù)合材料，其各組分的體積百分比為α-Al2O368.7％，Cr3C215％，Ti(C，N)15％，Y2O30.8％，MgO0.5％。將各組分原料按上述比例混合，以氮氣為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球為研磨體，料球重量比為1∶8，球磨80小時，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氮氣流中過篩，然后將粉料裝入石墨模具，以氮氣為保護(hù)氣氛進(jìn)行熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力28MPa，熱壓溫度1700C，保溫時間30分鐘。然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強度為715MPa，斷裂韌性為8.58MPa·m1/2，硬度為20.9GPa。
實施例2本實施例的Al2O3基陶瓷復(fù)合材料，其各組分的體積百分比為α-Al2O373.8％，Cr3C215％，Ti(C，N)10％，Y2O30.4％，MgO0.8％。將各組分原料按上述比例混合，以氬氣為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球為研磨體，料球重量比為1∶10，球磨40小時，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氬氣流中過篩，然后將粉料裝入石墨模具，以氬氣為保護(hù)氣氛進(jìn)行熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力28MPa，熱壓溫度1750℃，保溫時間20分鐘。然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強度為659MPa，斷裂韌性為8.72MPa·m1/2，硬度為19.8GPa。
實施例3本實施例的Al2O3基陶瓷復(fù)合材料，其各組分的體積百分比為α-Al2O364％，Cr3C210％，Ti(C，N)25％，Y2O30.5％，MgO0.5％。將各組分原料按上述比例混合，以氬氣為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球為研磨體，料球重量比為1∶8，球磨60小時，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氬氣流中過篩，然后將粉料裝入石墨模具，以氬氣為保護(hù)氣氛進(jìn)行熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力30MPa，熱壓溫度1680℃，保溫時間45分鐘。然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強度為701MPa，斷裂韌性為7.87MPa·m1/2，硬度為21.1GPa。
實施例4本實施例的Al2O3基陶瓷復(fù)合材料，其各組分的體積百分比為α-Al2O363.3％，Cr3C220％，Ti(C，N)15％，Y2O31.5％，MgO0.2％。將各組分原料按上述比例混合，以氮氣為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球為研磨體，料球重量比為1∶9，球磨50小時，然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在氮氣流中過篩，然后將粉料裝入石墨模具，以氮氣為保護(hù)氣氛進(jìn)行熱壓燒結(jié)。熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力30MPa，熱壓溫度1700℃，保溫時間45分鐘。然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強度為647MPa，斷裂韌性為9.23MPa·m1/2，硬度為22.3GPa。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于以Al2O3陶瓷為基體，同時添加Cr3C2和Ti(C，N)陶瓷硬質(zhì)顆粒作為彌散相，以Y2O3和MgO作為燒結(jié)助劑熱壓燒結(jié)而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于，組分如下Cr3C2為5～30％，Ti(C，N)為5～30％，Y2O3為0.2～2％，MgO為0.2～1％，其余為Al2O3，均為體積百分比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于，所述彌散相Cr3C2的體積百分比為10～20％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于，所述彌散相Ti(C，N)的體積百分比為10～20％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于，所述燒結(jié)助劑Y2O3的體積百分比為0.4～1.5％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于，所述燒結(jié)助劑MgO的體積百分比為0.5～0.8％。
7.一種權(quán)利要求1或2所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，步驟如下(1)將上述各組分原料按比例混合，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球為研磨體，球磨20～80小時；(2)然后在真空干燥箱中干燥，完全干燥后在上述惰性氣體氣流中過篩，然后密封備用；(3)采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟(2)所得的粉料壓模燒結(jié)成型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中各組分原料與硬質(zhì)合金球的料球重量比為1∶8～10。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)的工藝如下先將步驟(2)所得的粉料裝入石墨模具，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，保護(hù)氣氛為惰性氣體；熱壓工藝參數(shù)為熱壓壓力28～30MPa，熱壓溫度1650℃～1750℃，保溫時間20～45分鐘。得產(chǎn)品碳化鉻(Cr3C2)與碳氮化鈦(Ti(C，N))顆粒彌散強韌化氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述惰性氣體是氮氣、氬氣之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳化鉻與碳氮化鈦顆粒彌散強韌化氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。它是以Al
文檔編號C04B35/622GK1911856SQ200610068500
公開日2007年2月14日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者許崇海, 孫德明 申請人:山東輕工業(yè)學(xué)院