專利名稱：一種高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鋁基納米復(fù)合陶瓷的制備，特別提供了一種高性能低成本的氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備技術(shù)。
氧化鋁是應(yīng)用最廣泛的工程結(jié)構(gòu)陶瓷。然而就用得最多的95瓷而言，它的強(qiáng)度偏低，為250～350MPa；斷裂韌性也偏低，僅為2～3Mpa.m1/2；其抗熱沖擊溫度僅為275℃。因此提高其強(qiáng)度，韌性和可靠性，一直是人們追求的目標(biāo)。
采用第二相納米粉，尤其是納米β-SiC，Si3N4，Si/C/N三種硅基納米粉是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的行之有效的辦法。在這三種硅基納米粉中，當(dāng)前最常用的是納米SiC粉。由于涉及到1600℃以上Si3N4部分分解及Si3N4與Al2O3反應(yīng)，且這兩個均釋放氣體阻礙燒結(jié)致密而使性能下降，因此Si3N4、Si/C/N納米粉均不常用。
氧化鋁基納米復(fù)合陶瓷尤其是氧化鋁-碳化硅納米復(fù)合陶瓷是90年代初迅速發(fā)展起來的一種高性能氧化鋁復(fù)合陶瓷，其基本特征是基體粉(氧化鋁粉)為次微米粉，而增強(qiáng)相硅基納米粉一般平均粒徑D50＜300nm。納米第二相粒子的加入，細(xì)化了氧化鋁晶粒(一般小于10um)，使得組織結(jié)構(gòu)更加均勻，缺陷的尺寸及數(shù)量減小，可靠性得以提高。同時，位于晶界的納米粒子和位于氧化鋁晶內(nèi)的納米粒子對氧化鋁陶瓷均起到強(qiáng)韌化作用。微晶組織及陶瓷的強(qiáng)韌化，使得陶瓷的耐磨性能和抗蠕變性能顯著提高，在研磨過程中甚至還出現(xiàn)類似于金屬的塑性變形。這種氧化鋁基復(fù)合微晶陶瓷應(yīng)用前景廣闊，除了將替代傳統(tǒng)的95瓷外，甚至可能替代部分硬質(zhì)合金等，將大量地用于很多場合下的耐磨件、刀具材料、坩堝等。
SiC、Si3N4或Si/C/N納米粒子的加入，雖使氧化鋁陶瓷的性能大幅度提高，但同時也在燒結(jié)過程中嚴(yán)重地阻礙氧化鋁陶瓷的致密化過程，使得燒結(jié)溫度較未加入納米粉前提高了200℃左右。因此，為了獲得致密的燒結(jié)體，采用無壓燒結(jié)時，保溫溫度一般在1700～1850℃。這無疑使陶瓷的燒成成本大大提高，使得這種陶瓷難以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。即使采用熱壓燒結(jié)工藝，仍需在1600～1700℃的高溫下進(jìn)行。目前制備“氧化鋁-硅基納米粉”納米復(fù)合陶瓷的工藝一般采用熱壓燒結(jié)方法，從實(shí)驗室的結(jié)果來看，已經(jīng)取得了成功。但是熱壓燒結(jié)方法目前仍未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，原因就是熱壓燒結(jié)雖可在較低的溫度下獲得高性能的陶瓷，但其模具制造復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，成本高，不適合制備形狀復(fù)雜的零件，使其應(yīng)用受到限制。
為了避免熱壓燒結(jié)所帶來的諸多不利因素，國外有學(xué)者在無壓燒結(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱等靜壓后續(xù)處理。此方法的主要目的就是進(jìn)一步提高無壓燒結(jié)所獲得的氧化鋁基納米復(fù)合陶瓷的密度，減少材料的缺陷，進(jìn)一步提高陶瓷的性能和可靠性。利用熱等靜壓燒結(jié)后續(xù)處理技術(shù)雖可較容易地獲得形狀復(fù)雜的陶瓷零件，但是熱等靜壓燒結(jié)后處理也仍有一個設(shè)備極其昂貴和難以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的問題。
所以較佳的途徑是采用無壓燒結(jié)(或無壓燒結(jié)后再進(jìn)行氣壓燒結(jié))，通過合理的成分設(shè)計和工藝設(shè)計，在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)無壓燒結(jié)，獲得一個合理的，滿足工業(yè)化要求的性能結(jié)果。
本發(fā)明的目地在于提供一種力學(xué)性能高，可靠性好，成本低的氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法。
本發(fā)明提供了一種高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法，其特征在于以平均粒徑D50＝15～30nm的硅基納米粉作為增強(qiáng)相，在無水乙醇或蒸餾水中進(jìn)行超聲分散后，與平均粒徑D50＝0.2～0.5um的基體粉α-Al2O3和MgO粉混合于攪拌球磨機(jī)中，球磨時間為1～10小時；硅基納米粉選自β-SiC納米粉、Si3N4納米粉、Si/C/N納米之一種或多種，加入量為1～13vol％，α-Al2O3粉的加入量為85～98vol％，MgO粉的加入量為0.3～3vol％；所獲得的料漿在真空干燥箱中烘干8～20小時后過50～100目篩子，然后在200Mpa下冷等靜壓成型；所得成型坯料在1500～1650℃燒結(jié)，升溫速率為5～15℃/min，保溫時間為1～4小時。
本發(fā)明中當(dāng)納米粉為β-SiC納米粉或Si/C/N納米粉時，在1550～1650℃進(jìn)行無壓燒結(jié)，保護(hù)氣氛為氫氣或氬氣；當(dāng)納米粉為Si3N4納米粉時，先在1550～1570℃下進(jìn)行無壓燒結(jié)，后在1600～1650℃進(jìn)行氣壓燒結(jié)，壓力為60～80Mpa，燒結(jié)過程中保護(hù)氣氛均為氮?dú)狻?br> 本發(fā)明所述基體粉α-Al2O3最好純度≥99.5％；在進(jìn)行攪拌球磨時，溶劑最好為蒸餾水；所用基體粉α-Al2O3粉的平均粒徑最好在0.3～0.4um之間，含量最好在90～96vol％之間；各種原料混合后進(jìn)行攪拌球磨時，攪拌球磨的時間最好為2～7小時。
由本發(fā)明制備技術(shù)可獲得燒結(jié)體相對密度達(dá)98.5％，抗彎強(qiáng)度為450～550Mpa，韌性為4.5～6.7Mpa.m1/2，維氏硬度為11～17Gpa，抗熱沖擊溫度達(dá)480～520℃，平均晶粒尺寸為0.8～2um的高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷。
抗彎強(qiáng)度的測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14390-93中的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試方法進(jìn)行；斷裂韌性采用壓痕法測試，載荷為5Kg，保持時間為10～15秒；抗熱沖擊溫度按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16536-1996進(jìn)行測試。
本發(fā)明制備技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)如下1.平均粒徑D50＝10～30nm的硅基納米粉比一般所用的硅基納米粉都要細(xì)。這樣的納米粉粒子在燒結(jié)過程中，很容易進(jìn)入氧化鋁晶內(nèi)，形成亞組織，一部分則位于晶界。這樣便可實(shí)現(xiàn)晶內(nèi)和晶界同時強(qiáng)化和韌化的作用，對提高陶瓷的力學(xué)性能很有效。
2.該陶瓷的強(qiáng)度達(dá)450～550Mpa；韌性高達(dá)4.5～6.7Mpa.m1/2，是通常氧化鋁陶瓷的2～3倍；其耐熱沖擊溫度也高達(dá)480～520℃，遠(yuǎn)高于通常單相氧化鋁陶瓷的275℃。該陶瓷的強(qiáng)度、尤其是韌性和耐熱沖擊性能均為目前國內(nèi)無壓燒結(jié)氧化鋁復(fù)合陶瓷的最高水平。其斷口形貌(SEM)見

圖1。
3.該陶瓷為微晶組織結(jié)構(gòu)，平均粒徑為0.8～2um。這是所述氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷良好綜合性能的重要保證。這種陶瓷因此也具有良好的加工性能。加工表面粗糙度小，甚至還會出現(xiàn)塑性變形。其摩擦磨損機(jī)制為先從晶內(nèi)的亞組織開始剝落，然后才是氧化鋁晶粒一個一個地剝落。附圖2、3為其與金屬鎢對磨后的陶瓷的摩擦表面。因此該陶瓷的綜合性能好，可靠性高，適合于作高溫耐磨件等。
4.氧化鋁陶瓷中添加硅基納米粉粒子后一般采用1600℃～1700℃的熱壓燒結(jié)工藝或1700℃以上的無壓燒結(jié)工藝(納米粉為Si3N4時則均為氣壓燒結(jié))。
總之，本發(fā)明提供的氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法在1550～1650℃的無壓燒結(jié)工藝(或無壓燒結(jié)后再氣壓燒結(jié))中仍能獲得良好的陶瓷綜合性能，燒結(jié)體密度達(dá)98.5％的理論密度。因此成本較低，可制作各種形狀復(fù)雜的陶瓷件，很易于工業(yè)化生產(chǎn)。
下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附圖1為氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的斷口形貌(SEM)附圖2為氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷與金屬鎢對磨后的摩擦表面。
附圖3為氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷與金屬鎢對磨后的摩擦表面。
實(shí)施例1起始原料β-SiC納米粉的平均粒徑D50＝20nm，加入量為3vol％或5vol％或10vol％。MgO為分析純化學(xué)試劑，加入量為1vol％。其余為α-Al2O3粉，D50＝0.37um。
β-SiC納米粉在無水乙醇中進(jìn)行超聲分散后與MgO粉、α-Al2O3粉混合，攪拌球磨4小時。所獲得的料漿在真空干燥箱中烘干12小時后過55目篩子造粒。造好粒的復(fù)合粉體在200Mpa的壓力下冷等靜壓成型。無壓燒結(jié)在鉬絲爐中進(jìn)行，采用氫氣作保護(hù)氣氛，升溫速率為10℃/min，保溫溫度為1650℃，保溫時間2小時。
所獲得的高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的性能見表1。
比較例1不加入β-SiC納米粉，其他條件同實(shí)施例1。
所獲得的陶瓷的性能結(jié)果見表1。
表1
實(shí)施例2β-SiC納米粉的平均粒徑D50＝15nm，加入量為3vol％。α-Al2O3粉的平均粒徑D50＝0.50um。溶劑為蒸餾水。料漿在真空干燥箱中干燥的時間為20小時。燒結(jié)時保溫溫度為1600℃，保護(hù)氣氛為氬氣。其它工藝條件同所獲得的高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的性能見表2。
比較例2不加β-SiC納米粉，其他工藝條件同實(shí)施例2。
所獲得的陶瓷的性能結(jié)果見表2。
比較例3溶劑為無水乙醇，其他工藝條件同實(shí)施例2。
所獲得的陶瓷的性能結(jié)果見表2。
表2
實(shí)施例3所用的納米粉為Si/C/N復(fù)合粉，平均粒徑D50＝15nm。其他條件同實(shí)施例1。
所獲得的高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的性能見表3。
對比例4不加入納米Si/C/N復(fù)合粉，其他條件同實(shí)施例3。
所獲得的陶瓷的性能結(jié)果見表3。
表3
實(shí)施例4所用的納米粉為Si/C/N復(fù)合粉，平均粒徑D50＝15nm。MgO粉加入量為2.0vol％。料漿在真空干燥箱中干燥后過85目篩子。其他條件同實(shí)施例2。
所獲得的高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的性能見表4。
表4
實(shí)施例5所用的納米粉為Si3N4納米粉。攪拌球磨時間為2小時或5小時或10小時。燒結(jié)工藝先在1560℃下進(jìn)行無壓燒結(jié)，后在1650℃進(jìn)行氣壓燒結(jié)，壓力為70Mpa。無壓燒結(jié)和氣壓燒結(jié)均在氣壓燒結(jié)爐中進(jìn)行，保護(hù)氣氛均為氮?dú)?，保溫時間均為2小時，升溫速率均為10℃/min。其它工藝條件同實(shí)施例2。
所獲得的高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的性能見表5。
表權(quán)利要求
1.一種高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法，其特征在于以平均粒徑D50＝15～30nm的硅基納米粉作為增強(qiáng)相，在無水乙醇或蒸餾水中進(jìn)行超聲分散后，與平均粒徑D50＝0.2～0.5um的基體粉α-Al2O3和MgO粉混合于攪拌球磨機(jī)中，球磨時間為1～10小時；硅基納米粉選自β-SiC納米粉、Si3N4納米粉、Si/C/N納米之一種或多種，加入量為1～13vol％，α-Al2O3粉的加入量為85～98vol％，MgO粉的加入量為0.3～3vol％；所獲得的料漿在真空干燥箱中烘干8～20小時后過50～100目篩子，然后在200Mpa下冷等靜壓成型；所得成型坯料在1500～1650℃燒結(jié)，升溫速率為5～15℃/min，保溫時間為1～4小時。
2.按權(quán)利要求1所述高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法，其特征在于當(dāng)納米粉為β-SiC納米粉或Si/C/N納米粉時，在1550～1650℃進(jìn)行無壓燒結(jié)，保護(hù)氣氛為氫氣或氬氣。
3.按權(quán)利要求1所述高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法，其特征在于當(dāng)納米粉為Si3N4納米粉時，先在1550～1570℃下進(jìn)行無壓燒結(jié)，后在1600～1650℃進(jìn)行氣壓燒結(jié)，壓力為60～80Mpa，燒結(jié)過程中保護(hù)氣氛均為氮?dú)狻?br> 4.按權(quán)利要求1所述高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法，其特征在于所述基體粉α-Al2O3純度≥99.5％。
5.按權(quán)利要求1、2或3所述高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法，其特征在于進(jìn)行攪拌球磨時，溶劑為蒸餾水。
6.按權(quán)利要求1、2或3所述高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法，其特征在于所用基體粉α-Al2O3粉的平均粒徑在0.3～0.4um之間，含量在90～96vol％之間。
7.按照權(quán)利要求1、2或3所述高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法，其特征在于各種原料混合后進(jìn)行攪拌球磨時，攪拌球磨的時間為2～7小時。
全文摘要
一種高性能低成本氧化鋁復(fù)合微晶陶瓷的制備方法,其特征在于:以平均粒徑D
文檔編號C04B35/10GK1355150SQ0012333
公開日2002年6月26日 申請日期2000年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月29日
發(fā)明者梁勇, 韓亞苓, 線全剛, 蔣玉齊, 李家麟, 鄭豐 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所