一種微納米復合陶瓷模具材料及其制備方法

專利名稱：一種微納米復合陶瓷模具材料及其制備方法
技術領域：
本發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(C7N3))增韌 補強!，氧化鋁(A1203)的微納米復合陶瓷模具材料及其制備方法。
技術背景陶瓷材料的熱穩定性和耐磨性極佳，是制造成形模具的理想材料，很具有發展前景，但其 韌性很差，因此還沒有在模具工業方面得至曠泛應用。陶瓷材料的價格昂貴，而且用于生產也 缺乏經驗，但隨著科學技術的發展、制造工藝的M及用量的增加，成本必定會下降，應用也 必將日臻廣泛。從^SE點來看，應著手進行先進陶瓷模具材料的研發。目前，陶瓷材料在各類模具中的應用研究報導大多局限于!絲級復合陶瓷材料。在氧化物陶 瓷模具材f輛開究方面，ZiO2增韌Al203基復合陶歡TA可用于制作拉絲模。作為一種新型的模具 材料，在某些性能上優于高速鋼、硬質合金，其斷裂韌性和抗彎強度分別達到約7.2MPa.m^和 740MPa。參見許煜汾等，ZTA精密陶瓷拉絲模拉制鎢絲的研究，合肥工業大學學報(自然科學版), 1996， 19(4): 29-34.。另有研究發現，采用TZP和TiC共同增韌Al203可顯著提高rZIYriC/Al203復合陶 瓷的力學性能，強度和斷裂韌性可分別提高到1106MPa和11.86MPaTO1 參見尹龍衛等， TZP-TiC-Al203陶瓷復合材料在模具中的應用，粉末冶金技術,1997,15(4): 274-277。楊學鋒等采用 熱壓法制備出Al20/TiC復合陶瓷拉絲模材料，該材料具有良好的綜合力學性能，抗彎強度為 850MPa，斷裂韌性為4.9MPa'm1〃。參見楊學龜Al203/TiC復合陶瓷拉絲模材料的摩擦磨損性，硅 酸鹽學報，2005, 33(12): 1522-1526。選用高溫性能更佳的(Ce-TZP)-Al203復相陶瓷制作熱擠壓模 具'其抗彎S鵬892MPa，斷裂韌性143MPa'n^，維氏硬度10.9GPa，允許工作^Jg650。C。該材 料具有優良的高溫力學性能，是制作銅、鋁材熱擠壓模具的誠材料。參je暉等，熱擠壓模用陶 瓷材料的性能與應用研究，稀有金屬材料與工程,2003, 32(3): 232-235。另有采用3Y-TZP-Al203陶 瓷材料成功研制開發TZP陶瓷拉拔模。該材料具有較高的S鵬、硬度和韌性，尤其是其斷裂韌性 IQc超過10MPa'm1^抗彎強度達到1450 1490MPa，顯微硬度達到15 16.5GPa。參見羅軍明等， 3Y-TZP-Al203陶瓷拉拔模材料^Zffi研究，金剛石與磨料磨具工程2002,(2):4143。楊剛等所研 制的TZP (3Y-8Ce-TZP)陶瓷模具材料，斷SI0性、抗彎弓破和石鵬分別為10MPaWa、 1335MPa 和15GPa，參見楊剛等，TZP陶瓷拉絲模的開發與應用，模具工業,2001, (9): 36-38。、鵬等，PSZ 陶瓷熱擠壓模的制備鵬用研究，江蘇陶瓷,1996,29(2): 10-12公開的PSZ復相陶瓷的斷裂韌性、 抗彎強度和硬度分別達到10 14MPa'm1。、 650 850MPa^大于90HRA，均能較好地滿足模具材 料的^ffl要求。在氮化物陶瓷模具材料中，Si3N4陶瓷材料可以作為一種有潛力的模具材料，其抗彎3鵬和硬度分別為200MPa^82-87GPa。參見梁金生等，反應燒結氮化硅陶瓷模具材料的研究，中國陶瓷工
業,2000， 7(3): 9-11。采用冷等靜壓、無壓燒結方法制備的(3'-Sialon陶瓷模具材料，其斷裂韌性和抗 彎強度分別達到9.55MPam"和682MPa，而且在1000'C時的抗彎強度更是達到814MPa，因此該材 料具剤艮好的高溫力學性能。參見劉軍等，Sialon陶瓷熱擠壓模的應用研究，中國機械工程，1995, 6(3): 57-58。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性能，也是制備 陶瓷模具的良好材料。參見孫德明等，Al2(VCr3C2/(W,Ti)C陶瓷模具材禾站開究，粉末冶金技術,2005, 23(5):343-346。納米陶瓷在模具材料應用方面的研究還較少。采用化學共沉淀法制成平均粒徑為20nm的 3Y-TZP納^K用3-10y。的3Y-TZP納，復合3Y-TZP微粉，采用等靜壓成型和燒結制備出高性 能的復合TZP陶瓷模具，參見胡良頁等，納米復合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^m過加^Zr02相變增強和納米增強，能顯著提^2 陶瓷模具強度、 硬度，并ffi^^鵬從1540。C降至148(TC。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、耐磨性等優良性能因其較 差的強韌性而遠未得以發揮，只能用于沒有或者很少有沖擊載荷和拉應力的模具上，成形設備 多為擠壓機或,機等,設備，而且模具，一般較為簡單，材料僅限于ZTA、 TZP、 Sialon 陶瓷等。就目前研究和應用的總體情況來看，陶瓷模具材料的種類、性能和應用范圍均有待于 進一步擴大和提高。 發明內容為了克服已有技術的不^處，本發明 —種微內米復合陶瓷模具材料，是納米碳氮化 鈦增韌補強 氧化鋁基的微納米復合陶瓷模具材料。本發明還提供該微納米復合陶瓷模具材 料的制備方法。本發明的微納米復合陶瓷模具材料，是以m級Al203陶瓷為基體，添加納米級H(C,N)陶 瓷硬質顆粒作為彌散相，以金屬鉬(Mo)、鎳(Ni)和氧化鎂(MgO)作為燒結助劑熱壓燒結 而成。組分如下Ti(C,N)為5 35%， Mo為1 5%， Ni為1 5%， MgO為0.2 1%，其余為 A1203,均為體積百分比。進一步雌的，所述彌散相Ti(C,N)的體積百分比為10 20%， 所述燒結助劑Mo的體積百分比為1.5 4%， ，燒結助劑Ni的體積百分比為1.5 4%， 所述燒結助劑MgO的傳譯只百分比為0.3 0.7%。雌的，戰各組分中，所用的Al203M5^段燒Al(OH)3制ffa-Al203粉末，其鵬均大于 99%,平均粒度為0.5pm 1.5nm;所用的H(C,N)為市售粉末，純度大于98%，平均粒度為 60-100ran。本發明的離內米復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)將Al203粉末，以分子量為2000的聚乙二醇(PEG2ooG)為分散劑，以適量無水乙醇為分散介質，配成Al203懸浮液，用攪拌器充分攪拌、超聲分散，再用HCl和NH4OH調節懸浮 液的pH值至2.5 3.5;以A1203粉末質量為基數計分散劑的加量為0.5-2wt%;(2) 將Ti(C,N)粉末，以分子量為2000的聚乙二醇(PEG)為分散劑，以適量無水乙醇為分 散介質，配成H(C,N)懸浮液，用攪拌器充分攪拌、超聲分散，再用HCl和NH4OH調節懸浮液 的pH值至2.5~3.5;以Ti(C,N)粉末質量為基數計分散劑的加量為0.5-2wt%;(3) 將步驟(1)所得Al203懸浮液和步驟(2)所得Ti(C,N)懸浮液混合，得到復相懸浮液， 該復相懸浮液經過超聲分散后，再次調節其pH值至2.5 3.5，然后按比例添加Mo、 Ni和MgO 燒結助劑，混合均勻；(4) 將步驟(3)所得混合物，以惰性氣體為保護氣氛，以無水乙醇為介質，以硬質合金 球為研磨體，球磨30 80h;然后在真空干燥箱中千燥，完^B喿后在隋性氣體氣流中過篩，得 到粉料，密封備用；(5) 采用熱壓 去瞎結，在熱壓爐中將步驟(4)所得的粉料壓模燒結成型。 雌的，步戮4)中各組分原料與硬質合金球的料驢量比為1: 8 10。 雌的，步歟4)中惰性氣體是氮氣、氬氣之一。優選的，戰步驟(5)熱壓法燒結的操作如下先將步驟(3)所得的粉料^A石墨模具，然后進行真空熱壓燒結；熱i!X藝參數為熱壓 壓力28 32MPa，熱壓 鵬160(TC 1700。C,保溫時間10 20min。得產品納米麟化鈦增韌 補彌t^氧化鋁基微內米復合陶瓷模具材料。本發明的微內米復合陶瓷模具材料，艦添加納米H(C^5頓顆粒作為彌散相，可同時提高 材料的3踱、韌性和硬度，顯著改善材料的力學性能和4頓性能，而且具有制備方法簡單、成本 較低的優點。而且，從納米陶瓷的分ttE藝方面來看，目前的研究多用水為分散介質，與后期實 際材料制備過程中，55*乙醇為球磨分散介質不一致，從而導致分散效果斷氏。本發明的方法 主要是將單一粉末分散工藝與混，體的制備方法相聯系，采用統一的分散介質，更有利于改善 粉體的分散效果。與己有陶瓷模具材料相比，該復合陶瓷模具材料具有更好的綜合力學性能和優 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其他刀具、耐磨耐蝕零部件等。 具體實航式下面結合實施例對本發明做進一步說明。各實施例的組分中，所用的A1203是通過煅燒 Al(OH)3制ffa-Al203粉末，其純度均大于99%，平均粒度為lpm;所用的Ti(C,N)為市售粉末， 鵬大于98%，平均離為80ran。實施例1^影內米復合陶瓷模具材料，各組分的體積百分比為a-Al20379.5%， Ti(C，N)15%， Mo2.5%， Ni2.5%， MgO0.5%。制備方法如下將A1A、H(C,N)單相粉末，分別以肝量為2000的聚乙二醇為分散劑，以a-Al203或ri(C,N) 質量為基數計分散劑添加量分別為lwt%，以適ft^7K乙醇為分散介質，分別配淑目應的a-Al203 或H(C,N)單相懸浮液，分別用攪拌器充分攪拌、超聲分散，分別用HC1和NH40H調節懸浮液 的pH值至3.0。然后將所得a-Al203和H(QN)兩種粉體的懸浮液混合，得到復相懸浮液。混合 后的復相懸浮液經，聲分散后，再次調節其pH值至3.0。之后添加Mo、 Ni和MgO等燒結助 劑。將各組分原料混合后，以氮氣為保護氣氛，以無水乙醇為介質，以硬質合金球為研磨體， 料球重量比為l: 10，球磨50h，然后在真空干燥箱中干燥，完^燥后在氮氣流中過篩，然后 將粉料裝入石墨模具，進行真空熱壓燒結。熱壓工藝參數為熱壓壓力30MPa，熱壓溫度165(TC， 保溫時間15min。然后將制得的陶瓷材料i辦進fi^刀害咖工，測得其力學性能參數為抗彎強度 為789MPa，斷裂韌性為8.1MPam1/2，硬度為20.4GPa。 實施例2微納米復合陶瓷模具材料，其各組分的體積百分比為oc-Al20384.3%， Ti(C,N)10%， Mol.5%， Ni3.5%， MgO0.7%。制備方法如下將Al2O3、H(C,N)單相粉末，分別以針量為2000的聚乙二醇為分散劑，以(x-Al2O3或Ti(C,N) 質量為基數計分散劑添加量分別為1.5wt%，以適量無水乙醇為分散介質，分別配成相應的 a-Al203或Ti(C，N)單相懸浮液，分別用攪拌器充分攪拌、超聲分散，分別用HCl和NH4OH調節 懸浮液的pH值至2.9。然后將a-Al203和Ti(C,N)兩種粉體的懸浮液混合，得到復相懸浮液。混 合后的復相懸浮液鄉Sllg聲分散后，再次調節其pH值至2.9。之后添加Mo、Ni和MgO等燒結 助劑。將各組分原料混合后，以氬氣為f斜戶氣氛，以力JC乙醇為介質，以石頓合鍋為研磨體， 料體量比為1: 8，球磨80h，然后在真空千燥箱中千燥，完好燥后在氬氣流中過篩，然后 將粉f碟入石墨模具，進行真空熱壓燒結。熱JET藝參數為熱壓壓力28MPa，熱壓，1620°C， 保溫時間18min。然后將制得的陶瓷材料i辦進fi^刀割加工，測得其力學性能參數為抗彎3破 為743MPa，斷裂韌性為7.4MPara1。，硬度為19.5GPa。實施例3微納米復合陶瓷模具材料，其各組分的體積百分比為a-Al20374.1%， Ti(C，N)20%， Mo4%， Nil.5%， MgO0.4%。制備方法如下將Al203、Ti(C^單相粉末，分別以W量為2000的聚乙二醇為分散劑，以oc-Al203或Ti(C^N) 質量為基數計分散劑添加量分別為0.8wty。，以適量無水乙醇為分散介質，分別配成相應的 a-Al203或ri(C^單相懸浮液，用攪拌器充分攪拌、超聲分散，用HCl和NH4OH調節懸浮液的 pH輕3.2。然后將oc-Al203和Ti(C，N)兩種粉體的懸浮液混合，得到復相懸浮液。混合后的復 相懸浮液紐超聲分散后，再次調節其pH輕3.2。之后添加Mo、 Ni和MgO等燒結助劑。將 各組分原料混合后，以氮氣為微氣氛，以^7K乙醇為介質，以硬質合金球為研磨體，料球重 量比為l: 10，球磨40h，然后在真空T^燥箱中TM，完全千燥后在氮氣流中過篩，然后將粉料 裝入石墨模具，進行真空熱壓燒結。熱壓工藝參數為熱壓壓力32MPa，熱壓溫度1680。C，保 溫時間12min。然后將制得的陶瓷材料i辦進frt刀害咖工，測得其力學性能參數為抗彎3艘為 772MPa，斷裂韌性為8.2MPam1/2，硬度為20.1GPa。
權利要求
1.一種微納米復合陶瓷模具材料，其特征在于以微米級Al2O3陶瓷為基體，添加納米級Ti(C，N)陶瓷硬質顆粒作為彌散相，以Mo、Ni和MgO作為燒結助劑熱壓燒結而成，組分如下Ti(C，N)為5～35％，Mo為1～5％，Ni為1～5％，MgO為0.2～1％，其余為Al2O3，均為體積百分比。
2. 根據權利要求1所述的M米復合陶瓷模具材料，其特征在于，所述彌散相Ti(C,N)的 體積百分比為10 20%。
3. 根據權利要求1所述的〗影內米復合陶瓷模具材料，其特征在于，所述燒結助劑Mo的 體積百分比為1.5 4%。
4. 根據權禾傻求l所述的微內米復合陶瓷模具材料，其特征在于，戶腿燒結助劑Ni的體 積百分比為1.5 4%。
5. —種權利要求l所述的微內米復合陶瓷模具材料的制備方法，步驟如下 (1)將Al203粉末，以^f量為2000的聚乙二醇(PEG雄)為分散劑，以Al203粉末質量為基數計，分散劑的加量0.5-2wt%;以適量5S7K乙醇為分散介質，配成Al203懸浮液，用攪拌器充分攪拌、超聲分散，再用1^1和,011調節懸浮液的？11輕2.5 3.5;(2) 將H(CM粉末，以分子量為2000的聚乙二醇(PEG)為分散劑，以T1(C^N)粉末質量為 基數計，分散劑的加量0.5-2wt%，以適量忠K乙醇為分散介質，配成H(C,N)懸浮液，用攪拌 器充分攪拌、超聲分散，再用HCl和NH40H調節懸浮液的pH輕2.5 3.5;(3) 將步驟(1)所得Al203懸浮液和步驟(2)所得ri(C,N)懸浮液混合，得到復相懸浮液， 該復相懸浮液經過超聲分散后，再次調節其pH值至2.5 3.5，然后按比例添加Mo、 Ni和MgO 燒結助劑，混合均勻；(4) 將步驟(3)所得混合物，以惰性氣體為保護氣氛，以無水乙醇為介質，以硬質合金 球為研磨體，球磨30 80h;然后在真空干燥箱中千燥，完^p燥后在惰性氣體氣流中過篩，得 到粉料，密封備用；(5) 采用熱壓法燒結，在熱壓爐中將步驟(4)所得的粉料壓模燒結成型。
6. 根據權利要求5戶腿的微內米復合陶瓷模具材料的制備方法，^tT征在于，步驟(4)中 原料與5，合^的料 量比為1: 8 10。
7. 根據權利要求5所述的微內米復合陶瓷 材料的制備方法，其特征在于，步驟(4)中 臓惰性氣體是氮氣、氬氣之一。
8. 根據權利要求5戶脫的微納米復合陶瓷模具材料的制備方法，其特征在于，步驟(5) 的工藝如下先將步驟(4)所得的粉M^A石墨模具，然后進行真空熱壓燒結；熱壓工藝參數為熱壓 壓力28 32MPa,熱壓M 1600。C 1700。C，保 顯時間10 20min，得產品。
全文摘要
本發明涉及一種微納米復合陶瓷模具材料及其制備方法。本發明的微納米復合陶瓷模具材料，以微米級Al₂O₃陶瓷為基體，添加納米級Ti(C，N)陶瓷硬質顆粒作為彌散相，以Mo、Ni和MgO作為燒結助劑熱壓燒結而成。制備方法是先將Al₂O₃和Ti(C，N)等單一粉末分散在統一的分散介質中，再球磨、干燥、熱壓法燒結，更有利于改善粉體的分散效果，具有操作簡單、成本較低的優點。與已有陶瓷模具材料相比，該復合陶瓷模具材料具有良好的綜合力學性能和耐磨性能，可用于制作擠壓模、拉拔模等以及刀具、耐磨耐蝕零部件等。
文檔編號C04B35/117GK101164963SQ20071011384
公開日2008年4月23日 申請日期2007年9月26日 優先權日2007年9月26日
發明者馮曰美, 張榮波, 肖光春, 許崇海 申請人:山東輕工業學院