一種高硬度氮化硼陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高硬度氮化硼陶瓷及其制備方法，屬于陶瓷生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硼陶瓷具有機械強度大、化學(xué)穩(wěn)定度高、熱傳導(dǎo)性好和良好的熱震穩(wěn)定性等，這些特性使它們在機械加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但氮化硼陶瓷加工困難，氮化硼是一種典型的共價鍵結(jié)合的穩(wěn)定化合物，擴散系數(shù)較低，很難用常規(guī)的燒結(jié)方法達到致密化，必須通過添加一些燒結(jié)助劑以降低表面能或增加表面積，以及采用特殊工藝處理來獲得致密的氮化硼陶瓷，以提高其成品強度及成品產(chǎn)出率，目前主要的氮化硼燒結(jié)方法為反應(yīng)燒結(jié)和無壓燒結(jié)。反應(yīng)燒結(jié)氮化硼陶瓷:處理溫度低、時間短、不需特殊及昂貴設(shè)備；反應(yīng)燒結(jié)坯件不收縮，尺寸不變；成型方法多，燒結(jié)過程無需加壓，可制備大尺寸、形狀復(fù)雜的制品。但氮化硼的密度高，制品較沉重，由于制品中較高的游離硅含量會增加制品的脆性，降低制品的強度，嚴(yán)重影響反應(yīng)燒結(jié)氮化硼的力學(xué)性能，在使用上受到了一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高強度高溫的氮化硼陶瓷。
[0004]為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明通過以下方案實施:
一種高硬度氮化硼陶瓷，由下列重量份的原料制成:氮化硼85-115、氧化鋁1-6、高嶺土粉2-7、氧化鋯粉0.6-2、氧化鈣粉1.5-4、二氧化鈦粉2-6、三氧化二銻粉1.5-3.5、碳纖維0.6-3、表面活性劑0.05-0.3、聚乙烯0.5-3、無水乙醇20-30、甘油2-5、去離子水65-75。
[0005]優(yōu)選的，所述的高硬度氮化硼陶瓷由下列重量份的原料制成:氮化硼90-105、氧化鋁2-4、高嶺土粉4-6、氧化鋯粉1-1.5、氧化鈣粉2-3、二氧化鈦粉3_5、三氧化二銻粉
2.5-3、碳纖維1.6-2.5、表面活性劑0.05-0.2、聚乙烯1.5-2、無水乙醇26-28、甘油3-5、去離子水68-70。
[0006]優(yōu)選的，所述的高硬度氮化硼陶瓷由下列重量份的原料制成:氮化硼100、氧化鋁
3、高嶺土粉4.5、氧化鋯粉1.2、氧化鈣粉2.8、二氧化鈦粉4.4、三氧化二銻粉2.9、碳纖維2.1、表面活性劑0.15、聚乙烯1.7、無水乙醇26、甘油4.6、去離子水68。
[0007]優(yōu)選的，所述碳纖維的長度為4-8 mm。
[0008]優(yōu)選的，所述表面活性劑為單硬脂酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉中的一種或多種。
[0009]制備上述高硬度氮化硼陶瓷的方法，包括以下具體步驟:
(1)將氮化硼、氧化鋁、高嶺土粉、氧化鋯粉、氧化鈣粉、碳黑粉、二氧化鈦粉、三氧化二銻粉、去離子水混合加到球磨罐中球磨60-90 min，再加入聚乙烯、無水乙醇、甘油，以350-450 rpm的轉(zhuǎn)速進行混合40-60 min ；
(2)加入碳纖維、表面活性劑，轉(zhuǎn)速降低至150-250rpm,繼續(xù)球磨40-60 min,將混合均勻的漿料在室溫下抽氣緩慢加到金屬模具中，然后置于恒溫箱中于700-750°C下保溫30-50分鐘后脫模，在室溫下自然干燥至恒重；
(3)將步驟(2)得到的氮化硼陶瓷素坯置入反應(yīng)燒結(jié)爐中，將燒結(jié)爐抽真空，升溫至1650-1680°C，恒溫保持120-180 min，試樣隨爐冷卻至500°C ；
(4)將試樣移至熱風(fēng)爐中在200°C恒溫下進行二次冷卻30min，試樣隨爐冷卻至室溫即可得到高硬度氮化硼陶瓷。
[0010]優(yōu)選的，所述球磨罐配備有高純度氧化鋁磨球。
[0011]優(yōu)選的，步驟(3)中所述升溫速率為30-40°C /min。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是:
(I)本發(fā)明添加的碳纖維可以提高氮化硼陶瓷的力學(xué)性能，提高陶瓷的斷裂韌性，提高素坯的強度和致密度，滿足機械加工要求添加的氮化硼進一步提高陶瓷的耐磨性，高嶺土粉、氧化鈣粉的添加可以提高陶瓷的耐高溫性。
[0013](2)本發(fā)明添加的氧化鋁、氧化鋯粉、碳黑粉提高了氮化硼陶瓷的致密性和導(dǎo)熱性，促進了氮化硼的結(jié)晶，提高成品率。
[0014](3)本發(fā)明工藝簡單，恒溫箱脫模以及二次降溫提高了陶瓷的均勻度和致密性，進一步的提高了陶瓷的強度，同時提高了燒結(jié)爐的利用效率，降低了能耗。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0016]實施例1
一種高硬度氮化硼陶瓷，由下列重量份的原料制成:氮化硼100、氧化鋁3、高嶺土粉
4.5、氧化鋯粉1.2、氧化鈣粉2.8、二氧化鈦粉4.4、碳黑粉2.5、三氧化二銻粉2.9、碳纖維2.1、表面活性劑0.15、聚乙烯1.7、無水乙醇26、甘油4.6、去離子水68。
[0017]其中，所述碳纖維的長度為4 mm，所述表面活性劑為單硬脂酸甘油酯、十二烷基磺酸鈉。
[0018]制備上述高硬度氮化硼陶瓷的方法，包括以下具體步驟:
(1)將氮化硼、氧化鋁、高嶺土粉、氧化鋯粉、碳黑粉、氧化鈣粉、二氧化鈦粉、三氧化二銻粉、去離子水混合加到配備有高純度氧化鋁磨球的球磨罐中球磨90 min，再加入聚乙烯、無水乙醇、甘油，以400 rpm的轉(zhuǎn)速進行混合60 min ；
(2)加入碳纖維、表面活性劑，轉(zhuǎn)速降低至200rpm，繼續(xù)球磨60 min，將混合均勻的漿料在室溫下抽氣緩慢加到金屬模具中，然后置于恒溫箱中于750°C下保溫50分鐘后脫模，在室溫下自然干燥至恒重；
(3)將步驟(2)得到的氮化硼陶瓷素坯置入反應(yīng)燒結(jié)爐中，將燒結(jié)爐抽真空，升溫至1680°C，恒溫保持120-180 min，試樣隨爐冷卻至500°C ；
(4)將試樣移至熱風(fēng)爐中在200°C恒溫下進行二次冷卻30min，試樣隨爐冷卻至室溫即可得到高硬度氮化硼陶瓷。
[0019]本實施例得到的氮化硼陶瓷其性能為:硬度(HV):2800 ;抗壓強度(MPa):4800 ；抗彎強度(MPa):580。
[0020]實施例2 一種高硬度氮化硼陶瓷，由下列重量份的原料制成:氮化硼115、氧化鋁6、高嶺土粉7、氧化鋯粉2、氧化鈣粉4、二氧化鈦粉6、碳黑粉2、三氧化二銻粉3.5、碳纖維3、表面活性劑0.3、聚乙烯3、無水乙醇30、甘油5、去離子水75。
[0021]其中，所述碳纖維的長度為8 mm，所述表面活性劑為單硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、脂肪酸山梨坦、二辛基琥珀酸磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉。
[0022]制備上述高硬度氮化硼陶瓷的方法，包括以下具體步驟:
(1)將氮化硼、氧化鋁、高嶺土粉、氧化鋯粉、氧化鈣粉、二氧化鈦粉、碳黑粉、三氧化二銻粉、去離子水混合加到配備有高純度氧化鋁磨球的球磨罐中球磨60 min，再加入聚乙烯、無水乙醇、甘油，以300 rpm的轉(zhuǎn)速進行混合40 min ;
(2)加入碳纖維、表面活性劑，轉(zhuǎn)速降低至100rpm，繼續(xù)球磨40 min，將混合均勻的漿料在室溫下抽氣緩慢加到金屬模具中，然后置于恒溫箱中于700°C下保溫30分鐘后脫模，在室溫下自然干燥至恒重；
(3)將步驟(2)得到的氮化硼陶瓷素坯置入反應(yīng)燒結(jié)爐中，將燒結(jié)爐抽真空，升溫至1650°C，恒溫保持120-180 min，試樣隨爐冷卻至500°C ；
(4)將試樣移至熱風(fēng)爐中在