專利名稱：ZrO₂/Ti(C,N)納米復(fù)合陶瓷模具材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷模具材料及其制備方法，特別涉及一種納米碳氮化鈦(Ti (C，N))增強(qiáng)納米氧化鋯(Zr02)的納米復(fù)合陶瓷模具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
陶瓷材料的熱穩(wěn)定性和耐磨性極佳，是制造成形模具的理想材料，但其韌性較差，因此還沒(méi)有在模具工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 目前，陶瓷材料在各類模具中的應(yīng)用研究大多局限于微米復(fù)合陶瓷材料。其中，Zr02增韌A1203基復(fù)合陶瓷ZTA可用于制作拉絲模，作為一種新型的模具材料，在某些性能上優(yōu)于高速鋼、硬質(zhì)合金，其斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度分別達(dá)到約7. 2MPa *m1/2和740MPa。參見(jiàn)許煜汾等，TA精密陶瓷拉絲模拉制鴇絲的研究，合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1996，19(4) :29-34。另有研究發(fā)現(xiàn)，采用TZP和TiC共同增韌A1203可顯著提高TZP/TiC/Al203復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能，強(qiáng)度和斷裂韌性可分別提高到1106MPa和11. 86MPa m1/2。參見(jiàn)尹龍衛(wèi)等，TZP_TiC_Al203陶瓷復(fù)合材料在模具中的應(yīng)用，粉末冶金技術(shù)，1997， 15(4) :274-277。楊學(xué)鋒等采用熱壓法制備出Al203/TiC復(fù)合陶瓷拉絲模材料，該材料具有良好的綜合力學(xué)性能，抗彎強(qiáng)度為850MPa，斷裂韌性為4. 9MPa m1/2。參見(jiàn)楊學(xué)鋒，Al203/TiC復(fù)合陶瓷拉絲模材料的摩擦磨損性，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2005，33(12) :1522-1526。選用高溫性能更佳的(Cc-TZP) _A1203復(fù)相陶瓷制作熱擠壓模具，其抗彎強(qiáng)度892MPa，斷裂韌性14. 3MPa m1/2，維氏硬度10. 9GPa，允許工作溫度650°C 。
該材料具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能，是制作銅、鋁材熱擠壓模具的合適材料。參見(jiàn)劉軍等，熱擠壓模用陶瓷材料的性能與應(yīng)用研究，稀有金屬材料與工程，2003，32(3) :232-235。另有采用3Y-TZP-A1203陶瓷材料成功研制開(kāi)發(fā)TZP陶瓷拉拔模。該材料具有較高的強(qiáng)度、硬度和韌性，尤其是其斷裂韌性超過(guò)lOMPa 'm，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1450-1490MPa，顯微硬度達(dá)到15-16. 5GPa。參見(jiàn)羅軍明等，3Y-TZP-Al203陶瓷拉拔模材料及應(yīng)用研究，金剛石與磨料磨具工程2002， (2):41-43。楊剛等所研制的TZP(3Y-8Ce-TZP)陶瓷模具材料，斷裂韌性、抗彎強(qiáng)度和硬度分別為lOMPa m^、1335MPa和15GPa，參見(jiàn)楊剛等，TZP陶瓷拉絲模的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，模具工業(yè)，2001，(9) :36-38。沈輝等，PSZ陶瓷熱擠壓模的制備及應(yīng)用研究，江蘇陶瓷，1996，29(2) :10-12公開(kāi)的PSZ復(fù)相陶瓷的斷裂韌性、抗彎強(qiáng)度和硬度分別達(dá)到10-14MPa 'm"2、650-850MPa和大于90HRA，均能較好地滿足模具材料的使用要求。此外，研制成功的陶瓷材料Al203/Cr3C2/(W，Ti)C具有良好的綜合力學(xué)性能，也是制備陶瓷模具的良好材料。參見(jiàn)孫德明等，Al203/Cr3C2/(W，Ti) C陶瓷模具材料研究，粉末冶金技術(shù)，2005， 23 (5) :343-346。 納米復(fù)合陶瓷在模具材料應(yīng)用方面的研究還較少。采用化學(xué)共沉淀法制成平均粒徑為20nm的3Y-TZP納米粉。用3-10%的3Y-TZP納米粉復(fù)合3Y-TZP微粉，采用等靜壓成型和燒結(jié)制備出高性能的復(fù)合TZP陶瓷模具，參見(jiàn)胡良頁(yè)等，納米復(fù)合TZP陶瓷模具的研制，佛山陶瓷，2002， (6) :8-9。此外，用少量的3Y-TZP納米粉通過(guò)加強(qiáng)Zr02相變?cè)鰪?qiáng)和納米增強(qiáng)，能顯著提高TZP陶瓷模具強(qiáng)度、硬度，并把燒成溫度從1540°C降至1480°C 。 C. H. Xu等，Preparation of an Advanced A1203 BasedNanocomposite Ceramic Die Material,Materials Science Forum， 2009， 628-629 :465-470研究了一種微納米復(fù)合陶瓷模具材料Al203/Ti (C， N)，也取得了良好的效果。 從已有的陶瓷模具研究可以看出，陶瓷材料高的硬度、耐熱性、耐磨性等優(yōu)良性能因其較差的強(qiáng)韌性而遠(yuǎn)未得以發(fā)揮，只能用于沒(méi)有或者很少有沖擊載荷和拉應(yīng)力的模具上，成形設(shè)備多為擠壓機(jī)或液壓機(jī)等靜載設(shè)備，而且模具形狀一般較為簡(jiǎn)單，材料僅限于ZTA、TZP、SialOn、Al203陶瓷等，而且多限于微米復(fù)合陶瓷，納米復(fù)合尤其是納-納復(fù)合陶瓷的性能優(yōu)勢(shì)沒(méi)能在模具領(lǐng)域得到應(yīng)用。就目前的總體情況來(lái)看，陶瓷模具材料的種類、性能和應(yīng)用范圍均有待于進(jìn)一步擴(kuò)大和提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種納-納復(fù)合陶瓷模具材料，是納米碳氮化鈦增強(qiáng)納米氧化鋯納米復(fù)合陶瓷模具材料。本發(fā)明還提供該納米復(fù)合陶瓷模具材料的制備方法。 本發(fā)明的納米復(fù)合陶瓷模具材料，是以釔穩(wěn)定的納米Zr(^為基體，添加納米Ti(C，N)作為增強(qiáng)相，以納米a-Al^、微米鉬(Mo)、鎳(Ni)和氧化鎂(Mg0)作為燒結(jié)助劑熱壓燒結(jié)而成。原料組分體積百分比如下Ti(C， N)為10-25%， a _A1203為5-15%， Mo為l-5%，Ni為3-6X，Mg0為0. 5-1. 5%，其余為釔穩(wěn)定的納米21<)2 ;所述的釔穩(wěn)定的納米Zr02是4-6mol %釔穩(wěn)定的納米Zr02。 優(yōu)選的，所述的紀(jì)穩(wěn)定的納米Zr02是5mol %紀(jì)穩(wěn)定的納米氧化鋯，以下簡(jiǎn)寫(xiě)為5Y-Zr02，使用5Y-Zr02所得模具材料的綜合力學(xué)性能最佳。
優(yōu)選的，所述增強(qiáng)相Ti (C， N)的體積百分比為10-20% ， 優(yōu)選的，所述燒結(jié)助劑a-Al^的體積百分比為8-15^，使用0^1203較其他晶
型的A1203所得模具材料的力學(xué)性能最好。 優(yōu)選的，所述燒結(jié)助劑Mo的體積百分比為2-4%， 優(yōu)選的，所述燒結(jié)助劑Ni的體積百分比為3-5%， 優(yōu)選的，所述燒結(jié)助劑MgO的體積百分比為0. 5-1. 2%。 優(yōu)選的，上述各組分中，所用的釔穩(wěn)定的納米Zr(^和納米a _A1203粉末均為市售，平均粒徑分別為39nm和40nm，純度大于99%;所用的Ti (C，N)為市售粉末，純度大于98%，平均粒徑為80nm。 本發(fā)明的納米復(fù)合陶瓷模具材料的制備方法，組分比例如上所述，制備步驟如下 (1)按比例稱取釔穩(wěn)定的Zr02納米粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以釔穩(wěn)定的Zr02納米粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量為0. 2-1. Owt % ;以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成釔穩(wěn)定的Zr(^懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min，再用HC1和NH40H調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3_4 ; (2)按比例稱取納米Ti (C，N)粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以Ti(C， N)粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量為0. 2-1.0wt% ;以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成Ti (C，N)懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min，再用HC1和NH40H調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3-4 ;
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(3)按比例稱取納米a -A1203粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分 散劑，以0^1203粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量為0.2-1.0^% ;以適量無(wú)水乙醇為 分散介質(zhì)，配成a _A1203懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min，再用HC1和NH4OH 調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3-4 ; (4)將步驟(1)_(3)所得釔穩(wěn)定的Zr02、Ti (C，N)和a -A1203懸浮液混合，得到復(fù) 相懸浮液，該復(fù)相懸浮液經(jīng)過(guò)超聲分散10-20min，再次調(diào)節(jié)其pH值至3_4，然后按比例添加 Mo、 Ni和MgO燒結(jié)助劑，混合均勻； (5)將步驟(4)所得混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為
介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，球磨30-60h ;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度下連續(xù)
干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，得到混合粉料，密封備用； (6)采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟(5)所得的粉料壓模燒結(jié)成型。 優(yōu)選的，步驟(5)中各組分原料總量與硬質(zhì)合金球的料球重量比為1 : 10-12。 優(yōu)選的，步驟(5)中惰性氣體是氮?dú)饣驓鍤狻?優(yōu)選的，步驟(5)中電熱真空干燥箱設(shè)定溫度為110-120°C。 優(yōu)選的，上述步驟(6)熱壓法燒結(jié)的操作步驟如下 先將步驟(5)所得的粉料裝入石墨模具，然后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)；熱壓工藝參數(shù) 為升溫時(shí)間30-40min，保溫溫度1400-1550°C ，熱壓壓力30_35MPa，保溫時(shí)間30_50min，然 后降溫至室溫。 進(jìn)一步優(yōu)選的采取溫度分段式熱壓工藝 i.升溫時(shí)在溫度達(dá)到IOO(TC前小壓力加壓，小壓力為5-10MPa，溫度達(dá)到IOO(TC 時(shí)將壓力調(diào)到20MPa，溫度達(dá)到保溫溫度1400-155(TC時(shí)逐漸加到熱壓壓力30_35MPa ;
ii.保溫結(jié)束后降溫的同時(shí)小幅度降低加壓壓力，即溫度降到IIO(TC時(shí)調(diào)壓力到 20MPa，95(TC時(shí)調(diào)壓力到lOMPa， 850°C時(shí)調(diào)壓力為0 ;最終得到產(chǎn)品納米碳氮化鈦(Ti (C， N))增強(qiáng)納米氧化鋯(Zr02)納米復(fù)合陶瓷模具材料；降溫過(guò)程中在85(TC以上時(shí)降溫速度 為10-20°C /min，850。C以下時(shí)20_30°C /min直到室溫。 以上溫度分段式熱壓是考慮到Zr02陶瓷在溫度變化過(guò)程中的相變以及隨之產(chǎn)生 的體積變化，以確保Zr02陶瓷的相變?cè)鲰g效果。采取溫度分段式熱壓工藝，即在不同的溫 度階段控制熱壓工藝參數(shù)不同。 本發(fā)明的納米復(fù)合陶瓷模具材料，通過(guò)添加納米Ti (C， N)作為增強(qiáng)相實(shí)現(xiàn)納_納 復(fù)合，可同時(shí)提高材料的強(qiáng)度、韌性和硬度，顯著改善材料的力學(xué)性能和使用性能，而且具 有制備方法簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)。尤其是在制備工藝方面，考慮到Zr02陶瓷在溫度變化 過(guò)程中的相變以及隨之產(chǎn)生的體積變化，以確保Zr(^陶瓷的相變?cè)鲰g效果，本發(fā)明特別采 取了溫度分段式熱壓工藝，即在不同的溫度階段采取不同的熱壓工藝參數(shù)，更有利于改善 材料的力學(xué)性能。與已有陶瓷模具材料相比，該納米復(fù)合陶瓷模具材料具有更好的綜合力 學(xué)性能和優(yōu)良的耐磨損性能，可用于制作擠壓模、拉拔模等陶瓷模具以及切削刀具、耐磨耐 蝕零部件等。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。各實(shí)施例的組分中，所用的釔穩(wěn)定的Zr02納米粉末和納米a 41203粉末均為市售，平均粒徑分別為39nm和40nm，純度大于99X; 所用的Ti (C， N)為市售粉末，純度大于98%，平均粒徑為80nm。
實(shí)施例1 納米復(fù)合陶瓷模具材料，原料組分的體積百分比為63% 5Y_Zr02，16. 5% Ti (C， N)，12% a-Al203，4.5%Ni，3%Mo，l%MgO。制備方法如下 按比例分別稱取5Y_Zr02、 Ti (C， N)和a -A1203納米粉末，以分子量為4000的聚 乙二醇為分散劑，分別以5Y-Zr02、 Ti(C， N)和a _A1203粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加 量0. 4wt% ;以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，分別配成5Y-Zr02、Ti (C， N)和a -A1203粉末懸浮 液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0min，再用HC1和NH4OH調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3. 5。將 所得5Y-Zr02、Ti (C， N)和a -A1203懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，該復(fù)相懸浮液經(jīng)過(guò)超聲分 散20min后，再次調(diào)節(jié)其pH值至3. 5，然后按比例添加Mo、 Ni和MgO燒結(jié)助劑，混合均勻； 將混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心?體，料球重量比為l : 10，球磨60h ;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度12(TC下連續(xù)干 燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，然后將粉料裝入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱 壓工藝參數(shù)為熱壓壓力30MPa，保溫溫度150(TC，升溫時(shí)間30min，保溫時(shí)間30min。采取 溫度分段式熱壓工藝升溫時(shí)在100(TC前小壓力5MPa加壓，100(TC時(shí)將壓力調(diào)到20MPa，接 近保溫溫度150(TC時(shí)逐漸加到熱壓壓力30MPa ;保溫結(jié)束后小幅度降低加壓壓力，IIO(TC 左右時(shí)調(diào)到20MPa，950。C時(shí)調(diào)到lOMPa， 850°C時(shí)調(diào)到0。降溫過(guò)程中在850°C以上時(shí)降溫速 度為l(TC /min，85(TC以下時(shí)20°C /min直到室溫；然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加 工，測(cè)得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度958MPa、斷裂韌性7. 48MPa 'm，維氏硬度13. 09GPa。
實(shí)施例2 納米復(fù)合陶瓷模具材料，各組分的體積百分比為70. 5% 5Y_Zr02， 10% Ti (C， N)， 10% a-Al203，51% Ni，4% Mo，O. 5% MgO。制備方法如下 按比例分別稱取5Y_Zr02、 Ti (C， N)和a -A1203納米粉末，以分子量為4000的聚 乙二醇為分散劑，分別以5Y-Zr02、 Ti(C， N)和A1203粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量 1.0wt% ;以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，分別配成5Y-Zr02、 Ti(C， N)禾P a-A1203粉末懸浮 液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0min，再用HC1和My)H調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3。將所 得5Y-Zr02、Ti (C， N)和a -A1203懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，該復(fù)相懸浮液經(jīng)過(guò)超聲分散 15min后，再次調(diào)節(jié)其pH值至3，然后按比例添加Mo、Ni和MgO燒結(jié)助劑，混合均勻；將混合 物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，料 球重量比為l : 11，球磨50h;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度ll(TC下連續(xù)干燥，完 全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，然后將粉料裝入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工藝 參數(shù)為熱壓壓力35MPa，保溫溫度146(TC，升溫時(shí)間40min，保溫時(shí)間50min。采取溫度分 段式熱壓工藝升溫時(shí)在IOO(TC前小壓力10MPa加壓，100(TC時(shí)將壓力調(diào)到20MPa，接近保 溫溫度146(TC時(shí)逐漸加到熱壓壓力35MPa ;保溫結(jié)束后小幅度降低加壓壓力，IIO(TC左右 時(shí)調(diào)到20MPa，95(TC時(shí)調(diào)到lOMPa， 850°C時(shí)調(diào)到0。降溫過(guò)程中在850°C以上時(shí)降溫速度為 15°C /min，85(TC以下時(shí)3(TC /min直到室溫；然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測(cè) 得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度1152MPa、斷裂韌性6. 66MPa 1111/2、維氏硬度12. 52GPa。
實(shí)施例3
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納米復(fù)合陶瓷模具材料，各組分的體積百分比為54. 2% 5Y-Zr02，22% Ti (C，N )， 15% a-Al203，5% Ni，3% Mo，O. 8% Mg0。制備方法如下 按比例分別稱取5Y_Zr02、 Ti (C， N)和a -A1203納米粉末，以分子量為4000的聚 乙二醇為分散劑，分別以5Y-Zr02、 Ti(C， N)和a _A1203粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加 量0. 4wt% ;以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，分別配成5Y-Zr02、Ti (C， N)和a -A1203粉末懸浮 液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?5min，再用HC1和NH40H調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至4。將所 得5Y-Zr02、Ti (C， N)和a -A1203懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，該復(fù)相懸浮液經(jīng)過(guò)超聲分散 20min后，再次調(diào)節(jié)其pH值至4，然后按比例添加Mo、 Ni和MgO燒結(jié)助劑，混合均勻；將混 合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw， 料球重量比為l : 12，球磨40h;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度12(TC下連續(xù)干燥， 完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，然后將粉料裝入石墨模具，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。熱壓工 藝參數(shù)為熱壓壓力30MPa，保溫溫度154(TC，升溫時(shí)間40min，保溫時(shí)間40min。采取溫度 分段式熱壓工藝升溫時(shí)在IOO(TC前小壓力8MPa加壓，IOO(TC時(shí)將壓力調(diào)到20MPa，接近保 溫溫度154(TC時(shí)逐漸加到熱壓壓力30MPa ;保溫結(jié)束后小幅度降低加壓壓力，IIO(TC左右 時(shí)調(diào)到20MPa，95(TC時(shí)調(diào)到lOMPa， 850°C時(shí)調(diào)到0。降溫過(guò)程中在850°C以上時(shí)降溫速度為 1(TC/min，85(TC以下時(shí)25t:/min直到室溫；然后將制得的陶瓷材料試樣進(jìn)行切割加工，測(cè) 得其力學(xué)性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度832MPa、斷裂韌性8. 42MPa m，維氏硬度12. 67GPa。
實(shí)施例4 納米復(fù)合陶瓷模具材料，各組分的體積百分比為70. 5% 4Y_Zr02， 10% Ti (C， N)， 10% a -Al203，51% Ni，4% Mo，O. 5% MgO。制備方法同實(shí)施例2，所得陶瓷材料測(cè)得其力學(xué) 性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度972MPa、斷裂韌性6. 52MPa 1111/2、維氏硬度12. 23GPa。
實(shí)施例5 納米復(fù)合陶瓷模具材料，各組分的體積百分比為63% 6Y_Zr02， 16. 5% Ti (C， N)， 12% a-Al203，4. 5%Ni，3%Mo，l%MgO。制備方法同實(shí)施例1，所得陶瓷材料測(cè)得其力學(xué) 性能參數(shù)為抗彎強(qiáng)度869MPa、斷裂韌性7. 31MPa 1111/2、維氏硬度12. 73GPa。
權(quán)利要求
一種納米復(fù)合陶瓷模具材料，是以釔穩(wěn)定的納米ZrO2為基體，添加納米Ti(C，N)作為增強(qiáng)相，以納米α-Al2O3、微米鉬(Mo)、鎳(Ni)和氧化鎂(MgO)作為燒結(jié)助劑熱壓燒結(jié)而成；原料組分體積百分比如下Ti(C，N)為10-25％，α-Al2O3為5-15％，Mo為1-5％，Ni為3-6％，MgO為0.5-1.5％，其余為釔穩(wěn)定的納米ZrO2陶瓷；所述的釔穩(wěn)定的納米ZrO2是4-6mol％釔穩(wěn)定的納米ZrO2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合陶瓷模具材料，其特征在于，所述的釔穩(wěn)定的納米Zr02是5mol^釔穩(wěn)定的納米氧化鋯。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合陶瓷模具材料，其特征在于，所述組分增強(qiáng)相Ti (C，N)的體積百分比為10-20%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的納米復(fù)合陶瓷模具材料，其特征在于，所述燒結(jié)助劑a_Al203的體積百分比為8-15%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合陶瓷模具材料，其特征在于，所述燒結(jié)助劑Mo的體積百分比為2-4%，所述燒結(jié)助劑Ni的體積百分比為3-5X，所述燒結(jié)助劑Mg0的體積百分比為0. 5-1. 2%。
6. —種權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合陶瓷模具材料的制備方法，步驟如下(1) 按比例稱取釔穩(wěn)定的Zr02納米粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以釔穩(wěn)定的Zr02納米粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量為0. 2-1. 0wt% ;以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成釔穩(wěn)定的Zr02懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min，再用HCl和NH4OH調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3-4 ;(2) 按比例稱取納米Ti(C，N)粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以Ti (C，N)粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量為0. 2-1. Owt% ;以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成Ti (C，N)懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min，再用HCl和朋4011調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3-4 ;(3) 按比例稱取納米a -AIA粉末，以分子量為4000的聚乙二醇(PEG4000)為分散劑，以a -A1203粉末質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，分散劑的添加量為0. 2-1. Owt^;以適量無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，配成a -A1203懸浮液，用攪拌器充分?jǐn)嚢?、超聲分?0-30min，再用HCl和NH4OH調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至3-4 ;(4) 將步驟(l)-(3)所得釔穩(wěn)定的Zr02、Ti(C，N)和a _A1203懸浮液混合，得到復(fù)相懸浮液，該復(fù)相懸浮液經(jīng)過(guò)超聲分散10-20min，再次調(diào)節(jié)其pH值至3_4，然后按比例添加Mo、Ni和MgO燒結(jié)助劑，混合均勻；(5) 將步驟(4)所得混合物倒入球磨罐中，以惰性氣體為保護(hù)氣氛，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，以硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，球磨30-60h ;然后在電熱真空干燥箱中在設(shè)定溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在惰性氣體氣流中過(guò)篩，得到混合粉料，密封備用；(6) 采用熱壓法燒結(jié)，在熱壓爐中將步驟(5)所得的粉料壓模燒結(jié)成型。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米復(fù)合陶瓷模具材料的制備方法，其特征在于，步驟(5)中各組分原料總量與硬質(zhì)合金球的料球重量比為1 : 10-12。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米復(fù)合陶瓷模具材料的制備方法，其特征在于，步驟(5)中所述惰性氣體是氮?dú)?、氬氣之?。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米復(fù)合陶瓷模具材料的制備方法，其特征在于，步驟(6)熱壓法燒結(jié)是先將步驟(5)所得的粉料裝入石墨模具，然后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)；熱壓工藝參數(shù)為升溫時(shí)間30-40min，保溫溫度1400-1550°C ，熱壓壓力30-35MPa，保溫時(shí)間30-50min，然后降溫至室溫；采取溫度分段式熱壓工藝如下i. 升溫時(shí)在溫度達(dá)到IOO(TC前小壓力加壓，小壓力為5-10MPa，溫度達(dá)到IOO(TC時(shí)將壓力調(diào)到20MPa，溫度達(dá)到保溫溫度1400-155(TC時(shí)逐漸加到熱壓壓力30-35MPa ;ii. 保溫結(jié)束后降溫的同時(shí)小幅度降低加壓壓力，即溫度降到IIO(TC時(shí)調(diào)壓力到20MPa，95(TC時(shí)調(diào)壓力到lOMPa， 850°C時(shí)調(diào)壓力為0 ;最終得到產(chǎn)品納米碳氮化鈦(Ti (C，N))增強(qiáng)納米氧化鋯(Zr02)納米復(fù)合陶瓷模具材料；降溫過(guò)程中在85(TC以上時(shí)降溫速度為10-20°C /min，850。C以下時(shí)20-30°C /min直到室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米復(fù)合陶瓷模具材料及其制備方法。本發(fā)明的陶瓷模具材料采用納-納復(fù)合方法，以納米4-6Y-ZrO2為基體，添加納米Ti(C，N)作為增強(qiáng)相，以納米α-Al2O3、微米鉬、鎳和氧化鎂作為燒結(jié)助劑熱壓燒結(jié)而成。制備方法是先將納米4-6Y-ZrO2、Ti(C，N)或α-Al2O3粉末分別分散于分散介質(zhì)中，再經(jīng)過(guò)球磨、干燥制得粉料，采用溫度分段式熱壓工藝進(jìn)行熱壓法燒結(jié)，有利于改善材料的力學(xué)性能，具有制備方法簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)。所得納米復(fù)合陶瓷模具材料具有良好的綜合力學(xué)性能和耐磨性能，可用于制作擠壓模、拉拔模等以及切削刀具、耐磨耐蝕零部件。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101767989SQ200910229440
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者張榮波, 張靜婕, 蔣振鈺, 衣明東, 許崇海 申請(qǐng)人:山東輕工業(yè)學(xué)院