一种增韧氮化硅陶瓷材料的制备方法与流程

本发明属于陶瓷增韧技术，涉及一种氮化硅增韧陶瓷材料的制备方法。

背景技术：

随着高、新技术的发展，机械加工业对刀具材料提出了更为严格而苛刻的要求。例如：加工硬度更高的材料、更高的切削效率、精加工和实现无人操作等，这就要求提高刀具材料的强度、韧性、耐磨和耐热冲击性等。氮化硅基陶瓷刀具材料以高纯度的Si₃N₄粉末为原料，添加Y₂O₃、MgO、ZrO₂和HfO₂等烧结剂或耐磨相Al₂O₃或强化相SiCw等烧结而成。氮化硅基陶瓷刀具适合切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于较大进给量或断续切削。与一般Al₂O₃基陶瓷比较，其主要特点是具有较高的抗弯强度和断裂韧性，但由于烧结困难、硬度及耐磨性偏低，限制了这类刀具的广泛应用。所以新一代Si₃N₄陶瓷刀具均为复合Si₃N₄陶瓷刀具。

氮化硅陶瓷可以采用晶须增韧陶瓷，由于晶须间分子静电引为和相互缠绕，晶须极易产生团聚，阻碍烧结致密化，并且容易产生气孔等缺陷；而纳米材料的陶瓷增韧时由于颗粒间普遍存在静电引力、范德华作用力和毛细管力的作用，在粉体的微细化过程中，颗粒有自发凝聚的倾向，且颗粒粒径越小，凝聚越严重，这就使粉体中形成软团聚和硬团聚现象。粉体中的团聚体导致毛坯堆积密度降低，使材料强度、韧性及可靠性降低。

CN 102584246 B提供一种氮化硅基陶瓷刀具材料及其制备方法。首先将分散剂加入去离子水中，制成分散剂溶液，然后将氮化硅基陶瓷刀具材料原料和分散剂溶液混合，然后球磨，烘干，再过40目筛，制成混合粉料，最后混合粉料进行热压，热压温度1650～1750℃，热压压力为20～40MPa，制成氮化硅基陶瓷刀具材料。该材料具有较高的力学性能，其维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别达到90～92GPa、950～1219MPa和10～16MPa·m^1/2。上述发明采用纳米Ti(C，N)颗粒增韧，但粉体的微细化过程中，颗粒有自发凝聚的倾向，且颗粒粒径越小，凝聚越严重，影响陶瓷材料的强度、韧性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的技术缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种氮化硅增韧陶瓷材料的制备方法，通过晶须与纳米并用技术，利用分散剂溶液将晶须及纳米粉体分散，烧结得到陶瓷材料致密性良好，强度和韧性得到明显提高。

本发明提供的一种氮化硅增韧陶瓷材料的制备方法，所述增韧氮化硅陶瓷材料包括Si₃N₄晶须15-20％，TiN纳米颗粒3-8％，Y₂O₃为2-4％，Al₂O₃为2-4％，Si₃N₄粉末为64-78％，所述增韧氮化硅陶瓷材料的制备步骤如下：

A.首先将分散剂无水乙醇，聚乙二醇及非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂搅拌制成分散剂溶液，并调整分散剂溶液的pH值为9-10。

B.将15-20％的Si₃N₄晶须和3-8％TiN纳米颗粒加入步骤A中所述分散剂溶液混合，通过超声震动并进行电磁搅拌15-20min，继续加入2-4％的Y₂O₃，2-4％的Al₂O₃及64-78％的Si₃N₄粉末，超声震动并电磁搅拌20-30min，得到复合粉体浆料。

C.将步骤B中所述的复合粉体浆料倒入聚氨酯桶中，混合球磨24h，并在40-60℃条件下真空干燥箱烘干，再过200目筛，制成复合粉料。

D.将步骤C中所述的复合粉料在1550-1750℃真空条件进行热压，热压压力为20-30MPa，热压时间40-50min，冷却后即得到增韧氮化硅陶瓷材料。

进一步的，所述步骤A中所述无水乙醇，聚乙二醇和非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂的重量比为40:1:0.1，所述聚乙二醇的分子量为400。

进一步的，所述步骤B中所述分散剂溶液的pH值调整为9.5。

进一步的，所述步骤B中所述Si₃N₄晶须为原位自生β-Si₃N₄晶须。

进一步的，所述步骤B中所述中TiN纳米颗粒粒径为50-80nm。

进一步的，所述步骤B中所述Y₂O₃的质量纯度>99.9％，Y₂O₃粉末的粒度为0.08-0.1μm。

进一步的，所述步骤B中所述Al₂O₃的Al₂O₃的质量纯度>99.9％，Al₂O₃粉末的粒度为0.08-0.2μm。

进一步的，所述步骤B中所述Si₃N₄粉末粒度分为0.35-0.5μm。

进一步的，所述步骤C中所述球磨采用氧化铝球。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

本发明加入TiN纳米颗粒抑制了Si₃N₄基体晶粒的生长，基体结构致密是强度大幅提高的原因。加入Si₃N₄晶须有助于形成细长的大晶粒,是韧性大幅度提高的原因。同时加入TiN纳米颗粒和Si₃N₄晶须形成了精细晶粒中掺杂细长晶粒的基体，使陶瓷材料的强度和断裂韧性都大幅度提高，且本采用分散剂对纳米颗粒及晶须进行分散，降低颗粒的自发凝聚，进一步提高烧结时陶瓷材料的致密性。本方法简单易行，所制备的氮化硅陶瓷断裂韧性好、强度高、致密性好。

【具体实施方式】

下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步的阐述和说明。

非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂采用购买于上海瀛正科技有限公司的-14非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂。

实施例1：

实施例1提供的一种氮化硅增韧陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

首先将分散剂无水乙醇，分子量400的聚乙二醇和非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂(重量比为40:1:0.1)搅拌制成分散剂溶液，调整分散剂溶液的pH值为9。将15％的原位自生β-Si₃N₄晶须和8％粒径为50nm的TiN纳米颗粒加入分散剂溶液混合，通过超声震动并进行电磁搅拌15min，继续加入2％粒度为0.08μm的Y₂O₃，4％粒度为0.2μm的Al₂O₃及71％粒度为0.35μm Si₃N₄粉末，超声震动并电磁搅拌20min，得到复合粉体浆料。将复合粉体浆料倒入聚氨酯桶中，混合球磨24h，并在40℃条件下真空干燥箱烘干，再过200目筛，制成复合粉料。将中复合粉料在1550℃真空条件进行热压，热压压力为20MPa，热压时间50min，冷却后即得到增韧氮化硅陶瓷材料。增韧氮化硅陶瓷材料的抗弯强度1315MPa，断裂韧性为18.2MPa·m^1/2和维氏硬度为90GPa。

实施例2：

实施例2提供的一种氮化硅增韧陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

首先将分散剂无水乙醇，分子量400的聚乙二醇和非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂(重量比为40:1:0.1)搅拌制成分散剂溶液，调整分散剂溶液的pH值为10。将20％的原位自生β-Si₃N₄晶须和3％粒径为80nm的TiN纳米颗粒加入分散剂溶液混合，通过超声震动并进行电磁搅拌20min，继续加入4％粒度为0.1μm的Y₂O₃，2％粒度为0.2μm的Al₂O₃及71％粒度为0.5μm Si₃N₄粉末，超声震动并电磁搅拌30min，得到复合粉体浆料。将复合粉体浆料倒入聚氨酯桶中，混合球磨24h，并在60℃条件下真空干燥箱烘干，再过200目筛，制成复合粉料。将中复合粉料在1750℃真空条件进行热压，热压压力为30MPa，热压时间40min，冷却后即得到增韧氮化硅陶瓷材料。增韧氮化硅陶瓷材料的抗弯强度1368MPa，断裂韧性为19.5MPa·m^1/2和维氏硬度为92GPa。

实施例3：

实施例3提供的一种氮化硅增韧陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

首先将无水乙醇，分子量400的聚乙二醇和非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂(重量比为40:1：0.1)搅拌制成分散剂溶液，调整分散剂溶液的pH值为9.5。将20％的原位自生β-Si₃N₄晶须和6％粒径为60nm的TiN纳米颗粒加入分散剂溶液混合，通过超声震动并进行电磁搅拌20min，继续加入4％粒度为0.1μm的Y₂O₃，2％粒度为0.1μm的Al₂O₃及68％粒度为0.4μm Si₃N₄粉末，超声震动并电磁搅拌30min，得到复合粉体浆料。将复合粉体浆料倒入聚氨酯桶中，混合球磨24h，并在60℃条件下真空干燥箱烘干，再过200目筛，制成复合粉料。将中复合粉料在1650℃真空条件进行热压，热压压力为25MPa，热压时间50min，冷却后即得到增韧氮化硅陶瓷材料。增韧氮化硅陶瓷材料的抗弯强度1330MPa，断裂韧性为18.3MPa·m^1/2和维氏硬度为93GPa。

实施例4：

实施例4提供的一种氮化硅增韧陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

首先将分散剂无水乙醇，分子量400的聚乙二醇和非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂(重量比为40:1:0.1)搅拌制成分散剂溶液，调整分散剂溶液的pH值为9.5。将15％的原位自生β-Si₃N₄晶须和3％粒径为70nm的TiN纳米颗粒加入分散剂溶液混合，通过超声震动并进行电磁搅拌20min，继续加入2％粒度为0.1μm的Y₂O₃，2％粒度为0.1μm的Al₂O₃及78％粒度为0.4μm Si₃N₄粉末，超声震动并电磁搅拌30min，得到复合粉体浆料。将复合粉体浆料倒入聚氨酯桶中，混合球磨24h，并在60℃条件下真空干燥箱烘干，再过200目筛，制成复合粉料。将中复合粉料在1750℃真空条件进行热压，热压压力为30MPa，热压时间50min，冷却后即得到增韧氮化硅陶瓷材料。增韧氮化硅陶瓷材料的抗弯强度1356MPa，断裂韧性为17.5MPa·m^1/2和维氏硬度为92GPa。

实施例5：

实施例5提供的一种氮化硅增韧陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

首先将分散剂无水乙醇，分子量400的聚乙二醇和非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂(重量比为40:1:0.1)搅拌制成分散剂溶液，调整分散剂溶液的pH值为9.5。将20％的原位自生β-Si₃N₄晶须和8％粒径为60nm的TiN纳米颗粒加入分散剂溶液混合，通过超声震动并进行电磁搅拌18min，继续加入4％粒度为0.1μm的Y₂O₃，4％粒度为0.1μm的Al₂O₃及64％粒度为0.4μm Si₃N₄粉末，超声震动并电磁搅拌30min，得到复合粉体浆料。将复合粉体浆料倒入聚氨酯桶中，混合球磨24h，并在60℃条件下真空干燥箱烘干，再过200目筛，制成复合粉料。将中复合粉料在1750℃真空条件进行热压，热压压力为25MPa，热压时间50min，冷却后即得到增韧氮化硅陶瓷材料。增韧氮化硅陶瓷材料的抗弯强度1383MPa，断裂韧性为17.6MPa·m^1/2和维氏硬度为91GPa。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。