專利名稱：氧化鋁－碳氮化鈦－鈦鎳復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷復合材料及其制備方法，具體涉及一種氧化鋁一碳氮化鈦一鈦鎳復 合材料及其制備方法。
技術背景隨著高、新技術的發展，機械加工業對刀具材料提出了更為嚴格而苛刻的要求。例如加 工硬度更高的材料、更高的切削效率、精加工和實現無人操作等，這就要求提高刀具材料的 強度、韌性、耐磨和耐熱沖擊性等。氧化鋁陶瓷材料具有高熔點、高壓縮強度和抗腐蝕性等 特點，但由于A1203陶瓷材料脆大、抗拉強度低和耐沖擊力差，所以作為刀具材料，要在實 際中廣泛應用，必須提高材料的機械性能。多年來各國相繼提出多種增韌補強方法和先進的 工藝技術。在陶瓷材料中添加增強相如TiN、 Ti(C，N)、 TiB2、 SiC、 (W,Ti)C、 WC、 Mo2C、 Zr02、 Y20s等成分，利用第二相、第三相材料進行顆粒彌散強化、纖維補強、晶須增韌、相 變增韌或協同增韌補強提高陶瓷材料的性能。中國專利CN1911856A(
公開日2007年2月14 日)提供了一種碳化鉻與碳氮化鈦彌散強韌化氧化鋁基復合材料及其制備方法。其組分的體 積百分比為5~30%Cr3C2, 5~30%Ti(C， N)， 0.2~2%Y2O3, 0.2~l%MgO,其余為A1203。目的是 通過Cr3C2和Ti(C,N)的作用同時提高材料的硬度。 發明內容本發明目的是針對氧化鋁/碳氮化鈦(Al203/Ti(C,N))復合材料存在的缺陷，研制一種氧 化鋁一碳氮化鈦一鈦鎳復合材料及其制備方法，提高陶瓷復合材料的綜合性能，硬度、強度 和韌性，進一步提供一種更適合機械工業用的刀具材料。本發明研制的氧化鋁一碳氮化鈦一鈦鎳復合材料組分體積百分數為A1203: 60 94， Ti(C， N): 5 35， Ti+Ni: 1~12。復合材料的綜合性能為硬度HV為20 21GPa，強度為600 800MPa，斷裂韌性7 9MPa'm"2。本發明上述復合材料的制備方法，按如下步驟進行 原料混合和干燥(1)將原料Al203粉末和TiCN粉末混合稱為A混合粉末，與球磨介質、表面活性劑混 合、球磨，其原料配比是Al2O3粉末為60 94vo1。/。， Ti (ClXNx)粉末為5~35 vol %，其中 X=0.3 0.7，表面活化劑加入量為原料Al2O3粉末和TiCN粉末總量的0 3 vol %，球磨時間 為12 24小時；球磨后的物料加入烘箱，在溫度為6(TC或120。C下，干燥24 48小時；(2) 將原料Ti粉末和Ni粉末混合稱為B混合粉末與球磨介質混合、球磨、鈦與鎳原子 配比為1:1 1:4，球磨時間12~24小時，然后放入真空烘箱內，在溫度為6(TC下干燥24~48 小時；(3) 將步驟(1)和(2)混合干燥后的粉末，加入球磨介質混勻后，球磨12 24小時， 然后放入真空烘箱內，在6(TC干燥24~48小時，B混合粉末加入量為A和B兩種混合粉末總 量的l~12vol %，余量為A混合粉末；粉末成形與燒結將步驟(3)處理后的混合粉末于熱壓爐中，在氬氣保護下，溫度為1400~1700°C，壓力 為25~35MPa下熱壓5~30分鐘。本發明采用的原料八1203粉末粒度dso為0.1~10um，純度A1203含量>99.9%; Ti (C"xNx):粒度dso為0.1~10諸，含量>99.9%，其中X=0.3~0.7; Ti粉末:粒度d5o為0.1~10 ym，純度Ti含量>99.9%; Ni粉末:粒度d5Q為0.1~10 w m，純度含量>99.9%。所述的表面活性劑選用聚羧酸乙脂，球磨介質選用無水乙醇或去離子水。上述步驟(2)或步驟(3)中混合、球磨后的粉末放入烘箱內真空干燥，真空度均為 lxlO"MPa。本發明具有的優點和產生的積極效果是本發明以氧化鋁/碳化鈦即Al20/Ti(C,N)復合材料為基體，通過添加NiTi提高刀具材料的強度和韌性是本發明的特點。在陶瓷中加入Ni和Ti， 金屬都可以通過顆粒增韌方式改善材料韌性，而且在一定條件下Ni和Ti將會生成金屬間化合 物NiTi、 Ti2N汲TiNi3并在燒結中形成液相，這對降低復合材料的燒結溫度，抑制高溫燒結時 Ti (C， N)的分解、促進材料的燒結致密化是非常有益的。另外本發明在粉末混合過程中還 加入表面活性劑聚羧酸乙脂可以有效地提高Al203/Ti(C,N)粉末混合的均勻性，減少粉末的團 聚，提高材料的密度和機械性能。上述經過本發明制取的復合材料綜合性能達到硬度Hv為20 21GPa，強度為 600 800MPa，斷裂韌性為7 10MPa'm1^完全能滿足機械加工刀具材料的性能要求。
具體實施方式
實施例1 (Al203-5vol%TiCo.5Na5)-lvol% (Ti+Ni)復合材料的制備和性能 在Al2。3粉末(粒度d50為0.1 um，純度>99.卯％)中加入體積百分為5的TiQ美5粉 末(粒度d5o為0.1iim，純度>99.卯％)，以無水乙醇為球磨介質，氧化鋁球為磨球，球磨12 小時，然后放入60。C烘箱內干燥24小時，得到A1203—5vol^TiCo.5Na5混合粉末。將Ti粉和 Ni粉按原子比l: l的比例混合，以無水乙醇為球磨介質，不銹鋼球為磨球，球磨12小時， 然后放入60。C真空烘箱內干燥48小時，真空度為lxlO"MPa，得到Ti一Ni混合粉末。在合好的A1203—5vomTiC(X5Na5混合粉末中加入體積百分為1的混合好的Ti—Ni混合粉末， 以無水乙醇為球磨介質，不銹鋼球為磨球，球磨12小時，然后放入6(TC真空烘箱內干燥24 小時，真空度為lxlO"MPa。將混合好的粉末在熱壓爐內熱壓。熱壓溫度為1700°C、燒結壓 力為35MPa熱壓時間30min，熱壓氣氛為氬氣。采用Vickers壓痕硬度法測定材料硬度(Hv); 采用三點彎曲強度試驗檢測了材料的強度；采用單邊缺口梁法(SENB)檢測了材料的斷裂韌 性；采用掃描電鏡(SEM)檢測了材料的顯微組織和斷口。材料性能的檢測結果為硬度(Hv) 20GPa，三點抗彎強度600 MPa，斷裂韌性7.1MPa'm1/2。 實施例2本實施例氧化鋁基復合材料的組分為(Al203-25vol%TiCa3No.7) -8vol% (Ti+Ni) 在八1203粉末(粒度d5o為0.5 li m,純度>99.9% )中加入體積百分為25的TiQuN^粉末(粒 度d5D為0.3 u m,純度>99.9% )，以去離子水為球磨介質，氧化鋁球為磨球，球磨20小時， 然后放入120'C烘箱內干燥48小時，得到Al203—5vol^TiCa5No.5混合粉末。將Ti粉(粒度 d50為0.5 li m,純度>99.9%)和Ni粉(粒度d5{)為0.5 u m,純度>99.9%)按原子比1: 2的比例 混合，以無水乙醇為球磨介質，不銹鋼球為磨球，球磨24小時，然后放入6(TC真空烘箱內 干燥24小時，真空度為lxlO"MPa，得到Ti一Ni混合粉末。在混合好的A1203—25vol% TiCa5Na5混合粉末中加入體積百分為8的混合好的Ti一Ni混合粉末，以無水乙醇為球磨介質， 不銹鋼球為磨球，球磨24小時，然后放入6(TC真空烘箱內干燥36小時。將混合好的粉末在 熱壓爐內熱壓。熱壓溫度為1500'C、燒結壓力為30MPa熱壓時間15min，熱壓氣氛為氬氣。 熱壓后材料性能的檢測結果為硬度(Hv) 20 GPa，三點抗彎強度716 MPa，斷裂韌性 9.1MPa-m1/2。實施例3本實施例氧化鋁基復合材料的組分為(Al203-35vol%TiCa3Na7) -12vol% (Ti+Ni) 在八1203粉末(粒度dso為3iim,純度>99.9%)中加入體積百分為35的TiCo.5No.5粉末(粒 度d5Q為3 ii m，純度>99.9% )， Al203—35volXTiC().3Na7混合粉的制備如例1所述。將Ti粉(粒 度d5o為2 u m,純度>99.9%)和M粉(粒度d5o為2 u m,純度>99.9%)按原子比1: 4比例混 合，混合粉的制備如例l所述。在混合好的A1203 —35vol^TiCo.3N().7混合粉末中加入體積百 分為12的混合好的Ti一Ni混合粉末，以無水乙醇為球磨介質，不銹鋼球為磨球，球磨18小 時，然后放入60。C真空烘箱內干燥24小時，真空度為lxlO"MPa。將混合好的粉末在熱壓爐 內熱壓。熱壓溫度為1550"C、燒結壓力為30MPa熱壓時間10min，熱壓氣氛為氬氣。熱壓后 材料性能的檢測結果為硬度(Hv)21GPa，三點抗彎強度816MPa，斷裂韌性9.8MPa'm1/2。實施例4本實施例氧化鋁基復合材料的組分為(Al203-25vol%TiCa3Na7) -10vol% (Ti+Ni) 在八1203粉末(粒度d5。10um，純度>99.9%)中加入體積百分為25的TiCo.3No.7粉末(粒度 d50 8 um,純度>99.9%)， Al203—25vol%TiC。.3Na7混合粉的制備如例2所述。將Ti粉(粒度 d50為8um,純度>99.9%)和所粉(粒度d5()為8um,純度>99.9%)按原子比1: 3比例混合， 混合粉的制備如例1所述。在混合好的Al203—25volXTiCo.3No.7混合粉末中加入體積百分為 lO的混合好的Ti一Ni混合粉末，以無水乙醇為球磨介質，不銹鋼球為磨球，球磨24小時， 然后放入6(TC真空烘箱內干燥48小時，真空度為lxlO"MPa。將混合好的粉末在熱壓爐內熱 壓。熱壓溫度為140(TC、燒結壓力為25MPa熱壓時間5min，熱壓氣氛為氬氣。熱壓后材料 性能的檢測結果為硬度(Hv) 21GPa，三點抗彎強度806MPa，斷裂韌性8.8MPa'm1/2。
權利要求
1、一種氧化鋁—碳氮化鈦—鈦鎳復合材料，其特征在于組成成分體積百分數為Al2O360～94，Ti(C，N)5～35，Ti+Ni1～12。
2、 按照權利要求1所述的氧化鋁一碳氮化鈦一鈦鎳復合材料的制備方法，其特征在于工藝步驟如下原料混合和干燥(1) 將原料A1203粉末和TiCN粉末混合稱為A混合粉末，與球磨介質、表面活性劑混合、 球磨，其原料配比是Al203粉末為60~94vol%， Ti (d.xNx)粉末為5~35 vol %，其 中X=0.3 0.7，表面活化劑加入量為原料A1203粉末和TiCN粉末總量的0~3 vol %， 球磨時間為12-24小時;球磨后的物料加入烘箱，在溫度為6(TC或12(TC下，干燥24 48 小時；(2) 將原料Ti粉末和Ni粉末混合稱為B混合粉末與球磨介質混合、球磨、鈦與鎳原子配 比為1:1 1:4，球磨時間12 24小時，然后放入真空烘箱內，在溫度為6(TC下干燥24 48 小時；(3) 將步驟(1)和(2)混合干燥后的粉末，加入球磨介質混勻后，球磨12~24小時，然 后放入真空烘箱內，在60'C干燥24~48小時，B混合粉末加入量為A和B兩種混合粉 末總量的l~12vol %，余量為A混合粉末；粉末成形與燒結將步驟(3)處理后的混合粉末加入熱壓爐中，在氬氣保護下，溫度為1400~170(TC，壓力為 25~35MPa下熱壓5~30分鐘。
3、 按照權利要求2所述的氧化鋁一碳氮化鈦一鈦鎳復合材料的制備方法，其特征在于所述的 表面活性劑選用聚羧酸乙脂，球磨介質選用無水乙醇或去離子水。
4、 按照權利要求2所述的氧化鋁一碳氮化鈦一鈦鎳復合材料的制備方法，其特征在于步驟(2) 或步驟(3)中混合后的粉末放入烘箱內真空下干燥，真空度均為lxlO"MPa。
5、 按照權利要求2所述的氧化鋁一碳氮化鈦一鈦鎳復合材料的制備方法，其特征在于原料 八1203粉末粒度dso為0.1~10nm，純度八1203含量>99.9%; Ti(d.xNx):粒度d5G為O.l-lOnm， 含量>99.9%，其中X^.3 0.7; Ti粉末粒度d5o為0.1~10nm，純度Ti含量>99.9%; Ni粉末 粒度d5o為0.1 1(Him,純度含量>99.9%。
全文摘要
本發明涉及氧化鋁—碳氮化鈦—鈦鎳復合材料及其制備方法，復合材料組成的體積百分數為Al₂O₃60～94，Ti(C，N)5～35，Ti+Ni1～12；制備工藝步驟第一步是原料混合和干燥(1)將原料Al₂O₃粉末和TiCN粉末與球磨介質、表面活性劑混合、球磨、干燥；(2)將原料Ti粉末和Ni粉末與球磨介質混合、球磨干燥，鈦與鎳原子配比為1∶1～1∶4；(3)將步驟(1)和(2)混合干燥后的粉末，加入球磨介質混合、球磨、干燥，Ti和Ni粉末加入量為1～12vol％，第二步是粉末成形與燒結將步驟(3)處理后的混合粉末加入熱壓爐中，在氬氣氣氛、溫度為1400～1700℃，壓力為25～35MPa下熱壓成形。本發明優點是材料綜合性能硬度、強度和韌性明顯提高，更適合機械工業用的刀具材料。
文檔編號C04B35/622GK101239814SQ200810010648
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月14日 優先權日2008年3月14日
發明者修稚萌, 孫旭東, 良 左, 乾 李, 李曉東, 李繼光, 王亞蓉, 茹紅強, 地 霍 申請人:東北大學