SU-304L金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料及其母粒的制备方法与流程

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及一种奥氏体超低碳不锈钢增强的碳化硅基复合陶瓷材料及其母粒的制备方法。

背景技术：

碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。

尽管碳化硅陶瓷具有超硬耐磨，低密度(3.20g/mm³)，耐腐蚀，导热率高等特点，但单相的碳化硅陶瓷具有烧结温度非常高(约2130℃)、能耗大、对设备要求苛刻、其制品脆性大、难以加工等实际生产的技术问题，导致碳化硅陶瓷制品部件难以低成本、工业化生产。目前，碳化硅陶瓷制品的烧结包括无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结，其中热压烧结只能制备出简单形状的碳化硅陶瓷制品，热等静压烧结可获得复杂形状的碳化硅陶瓷制品，但必须对素坯进行包封处理，所以很难实现工业化生产。无压烧结和反应烧结虽然可以制备出复杂形状的碳化硅陶瓷制品，但制品的高温性能(例如抗弯强度、韦布尔模数、弹性模量)都逊色于热压烧结和热等静压烧结的碳化硅制品。

近年来,随着sic陶瓷在石油、化工、机械、微电子、汽车、航空航天、钢铁、造纸、激光、核能及加工等工业领域的应用越来越广，对sic陶瓷的综合性能要求越来越高。

因此，本发明的目的是提供一种复合相碳化硅陶瓷材料，以克服单相碳化硅陶瓷韧性差、难烧结和加工性能差的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料，用于克服单相碳化硅脆性大、难烧结、加工性能差等缺陷，使本发明的碳化硅基复合陶瓷材料兼具陶瓷的耐磨耐腐蚀性能和金属的高韧性和优异加工性能。

此外，由于本发明的碳化硅基复合陶瓷材料的流动性较好，适于造粒，本发明还涉及一种碳化硅基复合陶瓷材料的母粒的制备方法，所述母粒可用于注塑成型复杂形状的制品或粉碎成用于热压成型的粉料。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料，所述复合陶瓷材料含有金属料30～35wt％和陶瓷料65～70wt％，其中金属料由90～95wt％的奥氏体超低碳不锈钢粉末和5～10wt％的粘结剂组成，所述陶瓷料由40～50wt％的β-碳化硅、20～25wt％的β-氧化铝和25～40wt％的粘结剂组成。

作为本发明一个较佳实施例，其中，所述粘结剂含有聚甲醛pom、高密度量聚乙烯hdpe、乙烯-醋酸乙烯共聚物eva、聚乙烯蜡pe蜡及硬脂酸sa。

优选地，按质量分数计，所述粘结剂含有：聚甲醛88％、高密度量聚乙烯7.5％、乙烯-醋酸乙烯共聚物2％、聚乙烯蜡1％及硬脂酸1.5％。

作为本发明一个较佳实施例，其中，所述金属料中的奥氏体超低碳不锈钢粉末的粒径为7～15um。

作为本发明一个较佳实施例，其中，所述陶瓷料中β-碳化硅的粒径为5～10um，β-氧化铝的粒径为3～5um。

作为本发明一个较佳实施例，其中，所述复合材料含有金属料30～35wt％和陶瓷料65～70wt％；所述金属料中含有90～92wt％的奥氏体超低碳不锈钢粉末和8～10wt％的粘结剂；所述陶瓷料中含有50wt％的β-碳化硅、20～25wt％的β-氧化铝和25～30wt％的粘结剂。

优选地，所述奥氏体超低碳不锈钢粉末的粒径为8～12um，β-碳化硅的粒径为5～7um、β-氧化铝的粒径为3～3.5um。

本发明还提供一种su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料的母粒的制备方法，包括如下步骤:

s1:陶瓷粉的制备：将β-碳化硅与β-氧化铝加入热水中，向热水中溶入陶瓷料预加粘结剂中的部分pom，一起转移至球磨机中，在水介质存在条件下球磨，并将球磨后的陶瓷粉干燥；

s2:陶瓷料的制备：将干燥后的陶瓷粉与陶瓷料预加粘结剂的其余部分，一同加入混炼挤出机中混炼，挤出造粒；

s3:金属料的制备：将奥氏体超低碳不锈钢粉末和金属料预加粘结剂一同加入混炼挤出机中混炼，挤出造粒；

s4:按照陶瓷料和金属料的质量配比，加入混炼挤出机中混炼，挤出，得到用于注塑成型或制作细粉的su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料母粒。

需说明的是，由于步骤s3和s1-s2没有必然的先后次序关系，以上步骤s3可先于步骤s1～s2进行或与步骤s1～s2并行。

优选地，步骤s2～s4中，所述混炼温度为180～220℃，优选为190～210℃，更优选为200℃；所述挤出温度为150～170℃，优选为155～165℃，更优选为160℃。

优选地，步骤s1中，所述球磨后的陶瓷粉是采用喷雾干燥机120℃喷出干燥。

优选地，所述步骤s1中，向热水中溶入陶瓷料预加粘结剂中的部分pom，其质量占陶瓷料预加粘结剂总质量5～6％。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明以sus-304l为增强相，制得一种碳化硅基复合陶瓷材料，兼具陶瓷的高腐蚀耐磨性能和金属的韧性和易加工性，从而克服单相碳化硅陶瓷材料烧结温度高、韧性差、不易加工的缺点。

由于本发明的以sus-304l为增强相的碳化硅基复合陶瓷材料中金属粉体分散均匀、且具有较好的流动性，适合造粒和利用母粒注塑快速成型复杂形状的生坯、成型生坯强度高(注塑生坯弯曲强度10-15mpa)、烧结温度低(约1300℃，比单相碳化硅低1000℃)、烧结不变形(线性收缩率仅为0.7％，传统陶瓷常为5-30％)、烧结制品兼具陶瓷的高耐腐蚀性及金属的韧性和可加工性(能够金属切削钻孔等机械加工)。

综上所述，本发明的su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料是一种适合高效率、低能耗、工业化生产应用的复合陶瓷材料，特别适合于以碳化硅基复合陶瓷为基材的批量生产工艺中。

附图说明

图1为本发明的su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料的母粒的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例为单次生产su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料的母粒16kg，由以下质量百分比的原料组成：

总质量配比：金属料30％，陶瓷料70％。

金属料的质量配比：304l粉体92％，粘结剂8％，304l粉体粒径为8um。

陶瓷料的质量配比：β-碳化硅50％，β-氧化铝20％，粘结剂30％，其中碳化硅粒径5um，氧化铝粒径3um。

粘结剂的质量配比：pom88％，hdpe7.5％，eva2％，pe蜡1％，sa1.5％。

碳化硅基复合陶瓷材料的母粒的制备方法，结合图1所示为：

步骤1：陶瓷粉制备：将β-碳化硅与β-氧化铝加入热水中，向热水中溶入陶瓷料预加粘结剂质量5％的pom，然后一同转移到球磨机中，在水介质存在下，600r/min下高速球磨4h，然后将球磨后的陶瓷粉经喷雾干燥机120℃喷出干燥。

步骤2：陶瓷料制备：将喷雾干燥后的陶瓷粉，及陶瓷料预加粘结剂其余的部分加入混炼挤出机中，200℃混炼2h，160℃挤出造粒，备用。

步骤3：金属料制备:将金属304l粉体及粘结剂加入混炼挤出机中，200℃混炼2h，160℃挤出造粒，备用。

步骤4：按总配比3:7加入金属料和陶瓷料，200℃混炼1.5～2h，160℃挤出造粒，得到可用于注塑成型生坯的母粒。

使用本实施例的母粒注塑成型生坯，生坯的密度为2.80g/cm³，强度较高，不变形，最终烧结得到的su-304l金属增强碳化硅复相陶瓷密度2.50g/cm³。

实施例2

本实施例为单次生产su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料的母粒16kg，由以下质量百分比的原料组成：

总质量配比：金属料35％，陶瓷料65％。

金属料的质量配比：304l粉体90％，粘结剂10％，304l粉体粒径为12um。

陶瓷料的质量配比：β-碳化硅50％，β-氧化铝25％，粘结剂25％，其中碳化硅粒径7um，氧化铝粒径3.5um。

粘结剂的质量配比：pom88％，hdpe7.5％，eva2％，pe蜡1％，sa1.5％。

碳化硅基复合陶瓷材料的母粒的制备方法，结合图1所示为：

步骤1：陶瓷粉制备：将β-碳化硅与β-氧化铝加入热水中，向热水中溶入陶瓷料预加粘结剂质量6％的pom，然后一同转移到球磨机中，在水介质存在下，500r/min下高速球磨6h，然后将球磨后的陶瓷粉经喷雾干燥机120℃喷出干燥。

步骤2：陶瓷料制备：将喷雾干燥后的陶瓷粉，及陶瓷料预加粘结剂其余的部分加入混炼挤出机中，200℃混炼2.5h，160℃挤出造粒，备用。

步骤3：金属料制备:将金属304l粉体及粘结剂加入混炼挤出机中，200℃混炼2.5h，160℃挤出造粒，备用。

步骤4：按总配比35:65加入金属料和陶瓷料，200℃混炼1.5～2h，160℃挤出造粒。

步骤5：粉碎：将上述步骤得到的颗粒粉碎成细粉，得到可用于热压成型的粉料。

使用本实施例的粉体热压成型生坯，生坯密度为2.91g/cm³，强度较高，不变形，最终烧结得到的su-304l金属增强碳化硅复相陶瓷密度2.60g/cm³。由此可见，热压成型生坯的密度大于注塑成型生坯，且烧结前后，密度变化不大。

实施例3

实施例3是在实施例1的基础上，金属料改为32wt％，陶瓷料为68％。其他各操作步骤皆与实施例1相同。

实施例4

实施例4是在实施例1的基础上，将金属料的质量配比改为304l粉体95％，粘结剂5％，304l粉体粒径为7um。其他各操作步骤皆与实施例1相同。

实施例5

实施例5是在实施例1的基础上，将金属料的质量配比改为304l粉体92％，粘结剂8％，304l粉体粒径为15um。其他各操作步骤皆与实施例1相同。

实施例6

实施例6是在实施例1的基础上，将陶瓷料的质量配比改为β-碳化硅40％，β-氧化铝20％和粘结剂40％，其中碳化硅粒径10um，氧化铝粒径5um。其他各操作步骤皆与实施例1相同。

实施例7

实施例7是在实施例1的基础上，将陶瓷料的质量配比改为β-碳化硅45％，β-氧化铝25％和粘结剂30％，其中碳化硅粒径5um，氧化铝粒径3um。其他各操作步骤皆与实施例1相同。

实施例8

实施例8是在实施例1的基础上，碳化硅基复合陶瓷材料的母粒的制备方法的步骤2～步骤4中，混炼温度220℃，挤出温度170℃。其他各操作步骤皆与实施例1相同。

实施例9

实施例9是在实施例1的基础上，碳化硅基复合陶瓷材料的母粒的制备方法的步骤2～步骤4中，混炼温度190℃，挤出温度165℃。其他各操作步骤皆与实施例1相同。

对比例

对比例不包含金属料，先制得单相碳化硅陶瓷的母粒，然后将母粒粉碎细粉后热压成生坯。其他各操作步骤皆与实施例1相同。

将实施例1～9及对比例的陶瓷烧结制品密度、烧结温度、烧结前后变形情况(线性收缩率)、抗弯强度、导热系数、化学稳定性、冷热冲击、机械可加工性等性能比较如下表：

其中，烧结前后的变形用烧结前后尺寸变化的线性收缩率表示；耐腐蚀性用化学稳定性测试表示，即煮沸的强酸(硫酸、硝酸或盐酸)强碱(氢氧化钠或氢氧化钾)腐蚀失重百分比；可加工性采用是否适宜用切削钻孔等方法加工作为判断。

测试结果证明：本发明实施例1、2～9的注塑成型生坯的弯曲强度为10-15mpa(不易断裂)，生坯烧结温度1300℃，比单相碳化硅低近千度；生坯烧结前后的线性收缩率仅为0.7％，几乎不收缩不变形，较传统陶瓷5-30％的高线性收缩率具有明显优势；烧结制品在煮沸强酸强碱下腐蚀失重极少，达到国标水平，腐蚀失重远低于金属；本发明不锈钢增强的碳化硅陶瓷制品，由于韧性得到提高，能采用金属的切削或钻孔等方法进行加工成复杂形状，相比因太硬太脆几乎无法进行切削钻孔等加工的传统陶瓷，具有明显优势，使碳化硅陶瓷的应用领域得以拓宽。总而言之，本发明su-304l金属增强的碳化硅基复合陶瓷材料确实兼具不锈钢金属和碳化硅的一些优异性能，特别适合应用到以碳化硅陶瓷为基材的批量生产工艺中。