專利名稱：高抗壓強(qiáng)度低密度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高抗壓強(qiáng)度低密度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
陶瓷-金屬復(fù)合材料近年來被廣泛的應(yīng)用于航天科技、機(jī)械電子工業(yè)、國防軍工以及金屬陶瓷刀具等領(lǐng)域。陶瓷-金屬復(fù)合材料特點(diǎn)是將陶瓷的優(yōu)點(diǎn)(如耐高溫、高強(qiáng)度、 和抗氧化性等)與金屬的優(yōu)點(diǎn)(如良好的韌性和抗彎強(qiáng)度等)相結(jié)合，獲得一種具有良好綜合性能的材料；另外，金屬相的加入還可以改善陶瓷相的燒結(jié)性能和脆性。用來制備陶瓷-金屬復(fù)合材料最常用的陶瓷有耐高溫的氧化物、硅化物、硼化物、碳化物和氮化物等； 其中，碳化硼因具有優(yōu)異的綜合性能，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
碳化硼具有超高硬度(僅次于金剛石和立方碳化硼)，低密度(比金屬鋁低)的特性。目前密實(shí)燒結(jié)的純B4C陶瓷片多是采用在2300°C下高溫加壓燒結(jié)的方式得到。由于陶瓷的致密化過程較困難，所以最終得到的材料致密度在95%左右，要想獲得高致密度 0 98%)的陶瓷材料對設(shè)備和工藝的要求極高。目前所能制得的B4C陶瓷抗壓強(qiáng)度一般在I. 7GPa 2. 8GPa之間，HV能達(dá)到1220 1250，抗彎強(qiáng)度在280MPa 400MPa之間。由于碳化硼的性能與陶瓷的致密度相關(guān)，而致密度則與燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間及加壓壓力密切相關(guān)，因此要獲得高性能的致密陶瓷材料由于對成型設(shè)備和工藝過程都要求很高，造成了產(chǎn)品成本過高，且最終成型的產(chǎn)品因?yàn)樘沾筛哂捕鹊南拗贫鵁o法進(jìn)行正常切削加工，因此， 其產(chǎn)品的應(yīng)用形狀也受到了極大的限制。
目前針對陶瓷制備要求高，脆性大及不易機(jī)加工的缺點(diǎn)開發(fā)了無壓浸滲制備的 B4C/A1金屬陶瓷材料技術(shù)。采用相對于密實(shí)燒結(jié)來說較低的燒結(jié)溫度(2000°C左右)來制備陶瓷骨架，降低了對設(shè)備的要求，減少了制備時(shí)間；且金屬鋁的加入能改善陶瓷的韌性。 選擇金屬鋁是因?yàn)樘蓟鹋c鋁的密度相近，且純鋁的延展性，流動(dòng)性較佳，可在一定溫度下通過毛細(xì)吸力自動(dòng)浸滲入碳化硼骨架的空隙中，無需再額外加壓。而鋁的加入使最終成型的金屬陶瓷產(chǎn)品具有導(dǎo)電性，可以利用線切割機(jī)加工成任意所需形狀。目前對于比(/^1的研究取得較大的進(jìn)展是降低了陶瓷的燒結(jié)溫度(在1900°C 2000°C之間燒結(jié))，鋁的加入將陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度提高到300GPa 600GPa之間，斷裂韌性也得到改善，國內(nèi)李青等人制備的B4C/A1復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)601MPa，斷裂韌性為9. 2MPa m"2,但是卻相應(yīng)的降低了其硬度(HV900 1050之間)和抗壓強(qiáng)度(I. 2GPa I. 5GPa)，并且性能受金屬鋁量的影響較大(其中陶瓷骨架的孔隙率，金屬鋁的流動(dòng)性決定了金屬鋁量的多少)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠降低燒結(jié)溫度的高抗壓強(qiáng)度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，制得的陶瓷金屬復(fù)合材料在具有強(qiáng)度高的同時(shí)韌性得到改善，同時(shí)具有輕質(zhì)、高硬度、 高致密度的優(yōu)點(diǎn)且適于線切割加工。
本發(fā)明采用如下技術(shù)措施
—種高抗壓強(qiáng)度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，步驟如下
(I)造粒成型以摻雜碳化硅陶瓷粉末和碳化硼粉末為陶瓷物料，將質(zhì)量百分比為5 50%的摻雜碳化娃陶瓷粉末和余量碳化硼粉末加入三維行星式混粉機(jī)進(jìn)行混粉；在混勻后的陶瓷物料中加入質(zhì)量濃度為4%的粘結(jié)劑PVA并混合造粒，粘結(jié)劑PVA的加入量為陶瓷物料總質(zhì)量的2 10% ;造粒后，再采用24 60目篩子過篩；靜置12小時(shí)后再將所造粒子置于鑄鐵模具中加壓成型，得到預(yù)制坯，模壓壓力為50 120MPa，保壓30 150s， 無壓燒結(jié)將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐中，抽真空，真空為10_2Pa，以5 10°C /min速度升溫至1600 1900°C燒結(jié)，保溫0. 5 2h，得至IJ B4C-SiC基多孔預(yù)燒體，
(2)無壓浸滲將鋁塊放在B4C-SiC基多孔預(yù)燒體上，并共同放置在真空燒結(jié)爐中升溫至1000 1200°C，保溫0. 5 2h，得到陶瓷金屬，
(3)熱處理將陶瓷金屬放置熱處理爐中，并加熱至650 900°C溫度，保溫8 24h后取出，并置于水中做淬火處理。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明在維持金屬陶瓷復(fù)合陶瓷優(yōu)勢的情況下，進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度，降低材料成本，改善其硬度和抗壓強(qiáng)度，優(yōu)化材料的綜合性能，使材料更利于實(shí)際應(yīng)用。SiC陶瓷的密度、彈性模量和M都與B4C相近(見表I)，價(jià)格卻比碳化硼要低一倍，適合與B4C共同燒結(jié)成復(fù)相陶瓷基體。而Al2O3與B4C的融化溫度差別較大，TiB2與B4C的密度差別大，Si3N4的M 值要遠(yuǎn)低于B4C,均不適合與B4C共同燒結(jié)。選用B4C-SiC作為陶瓷骨架一方面降低了其原料的成本，另一方面B4C-SiCAl相比較于單純的比(/^1，在陶瓷基體上采用了復(fù)相陶瓷，利用第二相顆粒增強(qiáng)機(jī)理提高了陶瓷基體的強(qiáng)度。
表I幾種陶瓷的性能對比
權(quán)利要求
1.一種高抗壓強(qiáng)度低密度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟如下(1)造粒成型以摻雜碳化硅陶瓷粉末和碳化硼粉末為陶瓷物料，將質(zhì)量百分比為5 50%的摻雜碳化硅陶瓷粉末和余量碳化硼粉末加入三維行星式混粉機(jī)進(jìn)行混粉；在混勻后的陶瓷物料中加入質(zhì)量濃度為4%的粘結(jié)劑PVA并混合造粒，粘結(jié)劑PVA的加入量為陶瓷物料總質(zhì)量的2 10% ;造粒后，再采用24 60目篩子過篩；靜置12小時(shí)后再將所造粒子置于鑄鐵模具中加壓成型，得到預(yù)制坯，模壓壓力為50 120MPa，保壓30 150s，(2)無壓燒結(jié)將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐中，抽真空，真空為10_2Pa，以5 10°C/min 速度升溫至1600 1900°C燒結(jié)，保溫0. 5 2h，得到B4C-SiC基多孔預(yù)燒體，(3)無壓浸滲將鋁塊放在B4C-SiC基多孔預(yù)燒體上，并共同放置在真空燒結(jié)爐中升溫至1000 1200。。，保溫0. 5 2h，得到陶瓷金屬，(4)熱處理將陶瓷金屬放置熱處理爐中，并加熱至650 900°C溫度，保溫8 24h后取出，并置于水中做淬火處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的高抗壓強(qiáng)度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述碳化硼粉末的平均粒徑分布為2. 0 8. 0 ii m，碳化硼粉末的質(zhì)量濃度> 92%，碳化硅粉末的平均粒徑分布為I. 0 5. 0 ii m，碳化硅粉末的質(zhì)量濃度> 90%。
3.按照權(quán)利要求I所述的高抗壓強(qiáng)度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于作為浸滲的鋁塊采用的純鋁的純度> 99. 9%。
4.按照權(quán)利要求I所述的高抗壓強(qiáng)度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所獲得的B4C-SiC基多孔預(yù)燒體的孔隙率為25% 35%。
5.按照按照權(quán)利要求I所述的高抗壓強(qiáng)度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于放入鋁塊的體積大于B4C-SiC基多孔預(yù)燒體中的孔隙體積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有高抗壓強(qiáng)度低密度的陶瓷金屬復(fù)合材料。其制備方法如下將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～50％的碳化硅粉末與碳化硼粉末混合造粒，在50～120MPa壓力下模壓成型，接著將模壓制得的陶瓷預(yù)制坯放置在真空燒結(jié)爐中升溫至1600～1900℃燒結(jié)，得到高強(qiáng)度低密度的多孔預(yù)燒體；然后在真空條件下浸滲鋁液，并進(jìn)行熱處理，最終得到B4C-SiC/Al復(fù)合材料。由此方法制得的B4C-SiC/Al復(fù)合材料一方面抗壓強(qiáng)度是B4C/Al復(fù)合材料的1～2倍，而斷裂韌度沒有明顯變化；另一方面降低生產(chǎn)成本，簡化制備工藝，可以根據(jù)要求機(jī)加工成各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C04B41/80GK102531670SQ20111045321
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者何彥君, 余新泉, 張友法, 杜瑩瑩, 陳鋒 申請人:東南大學(xué)