專利名稱：可加工復(fù)相陶瓷材料及其制備方法和二次硬化熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷材料制造領(lǐng)域，特別涉及一種可加工復(fù)相陶瓷材料及其制備方法 和二次硬化熱處理方法。
背景技術(shù)：
可加工陶瓷通常是指在不使用金剛石刀具的傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的工藝條件下，材 料的去除率和表面粗糙度都能滿足一定工程使用要求的陶瓷材料，一般加工后表面粗糙度 要求小于ΙΟμπι。目前，制備可加工陶瓷主要是利用一些優(yōu)異的增韌補強方法和復(fù)合方法， 通過合理的組分搭配來提高可加工陶瓷材料力學(xué)性能，調(diào)和陶瓷材料的可加工性和其強度 這一矛盾。例如通過納米技術(shù)、六方氮化硼(h-BN)第二相增韌技術(shù)等來制備可加工性良 好、強度高的陶瓷材料。但是，高硬度以及由此帶來的耐磨損等許多性能是陶瓷材料的獨特優(yōu)勢，隨著加 工性能的提高，可加工陶瓷的硬度卻隨之下降，也就是說可加工性能和硬度是一對矛盾，很 大程度上限制了可加工陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。陶瓷材料的硬度與其硬質(zhì)相的含量多少有關(guān)，無 法通過單純改變材料的顯微結(jié)構(gòu)來提高可加工陶瓷的硬度。因此，尋找一種新的工藝路線 制備既可加工、硬度又高的復(fù)相陶瓷顯得尤為迫切。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前可加工陶瓷材料的上述技術(shù)缺陷，提供一種可加工復(fù)相陶瓷材料 及其制備方法和二次硬化熱處理方法。該復(fù)相可加工陶瓷材料可以方便地進行機械加工， 加工后經(jīng)過二次硬化熱處理，可以大幅提高其硬度，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。為了達到以上目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的可加工復(fù)相陶瓷材料，其重量百分比組分為(1)40-80%氧化鋁(Al2O3)、5_30% 六方氮化硼(h-BN)、5-50%鋁(Al)；或(2)40-80 %碳化硅(SiC)、5_30 %六方氮化硼 (h-BN)、5-50%鋁(Al)；或(3)40-80%氧化鋁(Al2O3)、5_30%六方氮化硼(h-BN)、5-50%鈦 (Ti)；或(4)40-80% 碳化硅(SiC)、5-30% 六方氮化硼(h-ΒΝ)、5_50% 鈦(Ti)。其進一步優(yōu)化組分配比為(1)60-80 % Al203、5-30 % h-BN, 10-30 % Al ；或 (2)40-60% SiC、10-30% h-BN,20-50% Al ；或(3)60-80% Al203、5_30% BN、10-30% Ti ；或 (4)40-60% SiC、10-30% h-BN,20-50% Ti。可加工復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟在上述重量百分比范圍內(nèi)配料， 球磨混合粉末，然后在等離子活化(PAS)爐中一次燒結(jié)，其中升溫速率200-500°C/min， 壓力30-60MPa，真空度0_10Pa，燒結(jié)溫度800-1300°C，保溫2-4min，最后隨爐冷卻即得。 其一次燒結(jié)的進一步優(yōu)化工藝參數(shù)為升溫速率300-500°C /min,壓力30_50MPa，真空度 6-10Pa，燒結(jié)溫度 900-1200°C，保溫 2_4min?？杉庸?fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理方法，將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下，先以5-10°C /min升至900-1200°C，再
3以2-5 V /min升至1600-1800°C，保溫2_3h，最后隨爐冷卻即可。其進一步的優(yōu)化工藝參 數(shù)為熱處理爐中，在N2氣保護下，先以5-7°C /min升至1000-1200°C，再以5°C /min升至 1600-1700°C，保溫2-3h，最后隨爐冷卻即可。本發(fā)明具有明顯的有益效果。由于本發(fā)明將含有h_BN、Al (或Ti)以及陶瓷基體相 (Al2O3或SiC)的混合粉末，放入PAS中快速升溫，h-BN與Al來不及反應(yīng)或只有部分反應(yīng)， 一次燒結(jié)后的陶瓷中存在著h-BN、Al (或Ti)弱質(zhì)相，得到的復(fù)相陶瓷材料具有一定強度， 但是硬度不高，方便加工；將制備的可加工復(fù)相陶瓷材料機械加工成產(chǎn)品后進行熱處理，原 位生成A1N、AlB2, TiN, TiB2等硬質(zhì)相，這些硬質(zhì)相與基體相相容性好、界面強度高、顆粒尺 寸小，對整個陶瓷基體的硬度和強度都起到了增加的作用。此外，本發(fā)明的工藝流程簡單易行，所需燒結(jié)時間短；對一次燒結(jié)及二次硬化熱處 理后的陶瓷材料進行了維氏硬度、抗彎強度等測試，其結(jié)果表明，采用本發(fā)明方法制備的復(fù) 相可加工陶瓷二次熱處理后硬度大大提高，如h-BN/Al/SiC可加工復(fù)相陶瓷材料，硬度由 一次燒結(jié)后的4. IGPa提高到6. 5GPa，抗彎強度由180MPa提高到330MPa。


圖1為本發(fā)明的工藝原理示意圖；圖2a為h-BN/Al經(jīng)一次燒結(jié)后的復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)照片；圖2b為h-BN/Al復(fù)合材料的二次硬化熱處理后顯微結(jié)構(gòu)照片。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。參見圖1，本發(fā)明的原理是在六方氮化硼復(fù)相陶瓷中添加鋁或鈦等活性金屬，通過 一次燒結(jié)獲得致密燒結(jié)體，此時材料硬度低，能夠方便地采用普通機械切削方法加工出不 同形狀的產(chǎn)品；然后對產(chǎn)品進行二次硬化熱處理，新的陶瓷相生成提高了復(fù)相可加工陶瓷 材料的硬度。由于h-BN與金屬Al、Ti等具有很好的潤濕性，在一定溫度下，其界面之間會 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為3A1+2BN = A1B2+2A1N3Τ +2ΒΝ = TiB2+2TiN原位生成新的陶瓷相A1N、A1B2、A1B12、TiN、TiB2等，如圖2a、2b所示，對比可以發(fā) 現(xiàn)，經(jīng)過二次硬化熱處理，出現(xiàn)了新的硬質(zhì)相A1N，從而提高了一次燒結(jié)后可加工陶瓷的硬度。本發(fā)明的具體實施方案如下可加工復(fù)相陶瓷材料，其重量百分比組分為(1)60-80 % Al2O3^5-30 % h-BN, 10-30% Al ；或(2)40-60% SiCU0-30% h-BN,20-50% Al ；或(3)60-80% A1203、5-30% BN、 10-30% Ti ；或(4)40-60% SiCU0-30% h-BN,20-50% Ti?？杉庸?fù)相陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟按照上述重量百分比組分配料， 球磨混合粉末，然后在等離子活化(PAS)爐中燒結(jié)，其中升溫速率300-500°C/min，壓力 30-50MPa，真空度6_10Pa，燒結(jié)溫度900-1200°C，保溫2-4min，最后隨爐冷卻即得?？杉庸?fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理方法，將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料
4機械加工成產(chǎn)品，放入真空爐中，在N2氣保護下，先以5-10°C /min升至900-1200°C，再以 2-50C /min升至1600-1800°C，保溫2_3h，最后隨爐冷卻即可。實施例1 可加工復(fù)相陶瓷材料配料以Al2O3為陶瓷基體相，Al和h-BN為增韌及反應(yīng)相，各 組分的重量百分配比為Al20360%、h-Bm5%、A125%?？杉庸?fù)相陶瓷材料制備將上述各組分混合，在球磨罐中濕磨24小時，介質(zhì)為 無水乙醇(濃度99.7%)，磨球為瑪瑙球，70°C下干燥，過200目篩；然后，將h_BN/Al/Al203 粉末裝入石墨模具，并置入等離子活化爐中，等離子活化(PAS)快速一次燒結(jié)，一次燒結(jié)時 溫度為1150°C，升溫速率300°C /min，壓力30MPa，真空度10Pa，保溫2min，燒結(jié)過程采用紅 外測溫，隨爐冷卻即得?？杉庸?fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 (h-BN/Al/Al203)機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下以10°C /min升至 900°C，再以5°C /min升至1600°C保溫2h，然后隨爐降溫冷卻即成。硬度測試結(jié)果一次燒結(jié)及二次硬化處理后復(fù)相陶瓷的硬度由4. 15GPa提高到 5. 5GPa。實施例2 可加工復(fù)相陶瓷材料配料以Al2O3為陶瓷基體相，Al和h-BN為增韌及反應(yīng)相，各 組分的重量百分配比為Al20375%、h-BN10%、A115%。可加工復(fù)相陶瓷材料制備將上述各組分混合，在球磨罐中濕磨24小時，介質(zhì)為 無水乙醇(濃度99.7%)，磨球為瑪瑙球，70°C下干燥，過200目篩；然后將h_BN/Al/SiC粉 末裝入石墨模具中，并置入等離子活化爐中，等離子活化(PAS)快速一次燒結(jié)，一次燒結(jié)溫 度為1200°C，升溫速率400°C /min，壓力40MPa，真空度8Pa，保溫4min，燒結(jié)過程采用紅外 測溫，最后隨爐冷卻即得?？杉庸?fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 (h-BN/Al/SiC)機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下以10°C /min升至900°C， 再以5°C /min升至1700°C保溫2h，然后隨爐降溫冷卻即成。硬度測試結(jié)果一次燒結(jié)及二次硬化處理后復(fù)相陶瓷的硬度由4. SGPa提高到 6.2GPa。實施例3 可加工復(fù)相陶瓷材料配料以Al2O3為陶瓷基體相，Ti和h-BN為增韌及反應(yīng)相，各 組分的重量百分配比為Al20360%、h-BN15%、Ti25%?？杉庸?fù)相陶瓷材料制備將上述各組分混合，在球磨罐中濕磨24小時，介質(zhì)為 無水乙醇(濃度99.7%)，磨球為瑪瑙球，70°C下干燥，過200目篩；然后，將h_BN/Ti/Al203 粉末裝入石墨模具，并置入等離子活化爐中，等離子活化(PAS)快速一次燒結(jié)，一次燒結(jié)時 溫度為1200°C，升溫速率400°C /min，壓力30MPa，真空度8Pa，保溫3min，燒結(jié)過程采用紅 外測溫，隨爐冷卻即得?？杉庸?fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 (h-BN/Ti/Al203)機械加工成產(chǎn)品，放入真空爐中，在隊氣保護下以10°C /min升至1200°C， 再以5°C /min升至1600°C，保溫3h，然后隨爐降溫冷卻即成。
硬度測試結(jié)果一次燒結(jié)及二次硬化處理后復(fù)相陶瓷的硬度由5.43GPa提高到 6.82GPa。實施例4 可加工復(fù)相陶瓷材料配料以Al2O3為陶瓷基體相，Ti和h-BN為增韌及反應(yīng)相，各 組分的重量百分配比為Al20375%、h-BN10%、Til5%?？杉庸?fù)相陶瓷材料制備將上述各組分混合，在球磨罐中濕磨24小時，介質(zhì)為 無水乙醇(濃度99.7%)，磨球為瑪瑙球，70°C下干燥，過200目篩；然后，將h_BN/Ti/Al203 粉末裝入石墨模具，并置入等離子活化爐中，等離子活化(PAS)快速一次燒結(jié)，一次燒結(jié)時 溫度為1200°C，升溫速率400°C /min，壓力30MPa，真空度6Pa，保溫2min，燒結(jié)過程采用紅 外測溫，隨爐冷卻即得。可加工復(fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 (h-BN/Al/Al203)機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下以10°C /min升至 1200°C，再以5°C /min升至1600°C保溫3h，然后隨爐降溫冷卻即成。硬度測試結(jié)果一次燒結(jié)及二次硬化處理后復(fù)相陶瓷的硬度由5.85GPa提高到 7. IGPa0實施例5 可加工復(fù)相陶瓷材料配料以SiC為陶瓷基體相，Al和h-BN為增韌及反應(yīng)相，各 組分的重量百分配比為SiC40%、h-BN25%、A135%。可加工復(fù)相陶瓷材料制備將上述各組分混合，在球磨罐中濕磨24小時，介質(zhì)為 無水乙醇(濃度99.7% )，磨球為瑪瑙球，70°C下干燥，過200目篩；將h_BN/Al/SiC粉末 裝入石墨模具，并置入等離子活化爐中，等離子活化(PAS)快速一次燒結(jié)，一次燒結(jié)溫度為 12000C，升溫速率400°C /min，壓力40MPa，真空度10Pa，保溫2min，燒結(jié)過程采用紅外測溫， 最后隨爐冷卻即得?？杉庸?fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 (h-BN/Al/SiC)機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下以10°C /min升至900°C， 再以5°C /min升至1600°C保溫2h，然后隨爐降溫冷卻即成。硬度測試結(jié)果一次燒結(jié)及二次硬化處理后復(fù)相陶瓷的硬度由4. IGPa提高到 6.5GPa。實施例6 可加工復(fù)相陶瓷材料配料以SiC為陶瓷基體相，Al和h-BN為增韌及反應(yīng)相，各 組分的重量百分配比為SiC60%、h-Bm5%、A125%?？杉庸?fù)相陶瓷材料制備將上述各組分混合，在球磨罐中濕磨24小時，介質(zhì)為 無水乙醇(濃度99.7% )，磨球為瑪瑙球，70°C下干燥，過200目篩；將h-BN/Al/SiC粉末 裝入石墨模具，并置入等離子活化爐中，等離子活化(PAS)快速一次燒結(jié)，一次燒結(jié)溫度為 1100°C，升溫速率400°C /min，壓力40MPa，真空度10Pa，保溫3min，燒結(jié)過程采用紅外測溫， 最后隨爐冷卻即得?？杉庸?fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 (h-BN/Al/SiC)機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下以10°C /min升至1000°C， 再以5°C /min升至1600°C保溫2h，然后隨爐降溫冷卻即成。
硬度測試結(jié)果一次燒結(jié)及二次硬化處理后復(fù)相陶瓷的硬度由3. 56GPa提高到 5. 8GPa。實施例7 可加工復(fù)相陶瓷材料配料以SiC為陶瓷基體相，Ti和h-BN為增韌及反應(yīng)相，各 組分的重量百分配比為SiC40%、h-BN25%、Ti35%?？杉庸?fù)相陶瓷材料制備將上述各組分混合，在球磨罐中濕磨24小時，介質(zhì)為 無水乙醇(濃度99.7% )，磨球為瑪瑙球，70°C下干燥，過200目篩；將h_BN/Ti/SiC粉末 裝入石墨模具，并置入等離子活化爐中，等離子活化(PAS)快速一次燒結(jié)，一次燒結(jié)溫度為 IlOO0C，升溫速率400°C /min，壓力40MPa，真空度10Pa，保溫3min，燒結(jié)過程采用紅外測溫， 最后隨爐冷卻即得。可加工復(fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 (h-BN/Al/SiC)機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下以10°C /min升至1200°C， 再以5°C /min升至1700°C保溫2h，然后隨爐降溫冷卻即成。硬度測試結(jié)果一次燒結(jié)及二次硬化處理后復(fù)相陶瓷的硬度由4.67GPa提高到 6.68GPa。實施例8 可加工復(fù)相陶瓷材料配料以SiC為陶瓷基體相，Ti和h-BN為增韌及反應(yīng)相，各 組分的重量百分配比為SiC60%、h-Bm5%、Ti25%。可加工復(fù)相陶瓷材料制備將上述各組分混合，在球磨罐中濕磨24小時，介質(zhì)為 無水乙醇(濃度99.7% )，磨球為瑪瑙球，70°C下干燥，過200目篩；將h_BN/Ti/SiC粉末 裝入石墨模具，并置入等離子活化爐中，等離子活化(PAS)快速一次燒結(jié)，一次燒結(jié)溫度為 IlOO0C，升溫速率400°C /min，壓力40MPa，真空度10Pa，保溫3min，燒結(jié)過程采用紅外測溫， 最后隨爐冷卻即得?？杉庸?fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料 (h-BN/Ti/SiC)機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下以10°C /min升至1200°C， 再以5°C /min升至1700°C保溫2h，然后隨爐降溫冷卻即成。硬度測試結(jié)果一次燒結(jié)及二次硬化處理后復(fù)相陶瓷的硬度由4. 3GPa提高到 6.8GPa。將以上實施例1 8制備的可加工復(fù)相陶瓷材料，機械加工成產(chǎn)品，進行二次硬化 熱處理，得到試樣。試樣表面經(jīng)拋光后進行維氏硬度測試，測試結(jié)果見表1。表1 一次燒結(jié)制備及二次硬化熱處理后復(fù)相陶瓷的硬度變化
試樣維氏硬度(GPa)
一次燒結(jié)制備二次硬化熱處理實施例1h-BN/Al/Al2034. 155. 5
7實施例2h-BN/Al/Al2034. 86. 2實施例3h-BN/Ti/Al2035. 436. 82實施例4h-BN/Ti/Al2035. 857. 1實施例5h-BN/Al/SiC4. 16. 5實施例6h-BN/Al/SiC3. 565. 8實施例7h-BN/Ti/SiC4. 676. 68實施例8h-BN/Ti/SiC4. 36. 8 從表1可以看出，經(jīng)過二次硬化熱處理，一次燒結(jié)制備的可加工復(fù)相陶瓷材料的 硬度得以提高。
權(quán)利要求
一種可加工復(fù)相陶瓷材料，其特征在于，重量百分比組分為40 80％SiC、5 30％h BN、5 50％A1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可加工復(fù)相陶瓷材料，其特征在于，重量百分比組分為 40-60% SiC、10-30% h-BN,20-50% Al。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可加工復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以 下步驟在重量百分比范圍內(nèi)配料，球磨成混合粉末，然后在等離子活化爐中一次燒結(jié)，其 中升溫速率200-500°C /min，壓力30_60MPa，真空度0_10Pa，燒結(jié)溫度800-1300°C，保溫 2-4min，最后隨爐冷卻即得。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可加工復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述一次燒 結(jié)，其升溫速率300-500°C /min，壓力30_50MPa，真空度6_10Pa，燒結(jié)溫度900-1200°C，保溫 2-4min。
5.根據(jù)權(quán)利要求3制備的可加工復(fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理方法，其特征在于， 將制備的可加工復(fù)相陶瓷材料機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下，先以 5-10°C /min 升至 900-1200°C，再以 2_5°C /min 升至 1600-1800°C，保溫 2_3h，最后隨爐冷卻即可。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述可加工復(fù)相陶瓷材料的二次硬化熱處理方法，其特征在于， 熱處理爐中，在N2氣保護下，先以5-7 °C /min升至1000-1200 °C，再以5 °C /min升至 1600-1700°C，保溫2-3h，最后隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷材料制造領(lǐng)域，公開了一種可加工復(fù)相陶瓷材料及其制備方法和二次硬化熱處理方法。可加工復(fù)相陶瓷材料的重量百分比組分為40-80％SiC、5-30％h-BN、5-50％Al；上述組分配料，球磨成混合粉末，然后在等離子活化(PAS)爐中一次燒結(jié)，即得硬度相對較低的可加工復(fù)相陶瓷材料；將上述制備的可加工復(fù)相陶瓷材料機械加工成產(chǎn)品，放入熱處理爐中，在N2氣保護下，進行二次硬化處理，可以提高產(chǎn)品的硬度，擴大產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號C04B35/622GK101955358SQ20101019209
公開日2011年1月26日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者喬冠軍, 施玉婷, 楊建鋒, 王紅潔, 王繼平, 賈祥亞, 金海云, 高積強 申請人:西安交通大學(xué)