以碳化硼作基体制造碳化硼/二硼化钛复合陶瓷粉末的方法及复合物技术

本发明专利技术公开了一种碳化硼／二硼化钛组合陶瓷粉末的制造方法，其中，首先将碳化硼和钛源充分混合，使它们对平均颗粒度小于２０微米，使得不连续的反应物区域小于５０微米；然后将混合物加热，这时碳化硼颗粒成为基体，二硼化钛颗粒附着在碳化硼颗粒上。从而得到碳化硼／二硼化钛组合陶瓷粉末，其颗粒直径小于２０微米。在用这种粉末压制成的致密部件中，二硼化钛的平均晶粒度小于２０微米，碳化硼的平均晶粒度小于５０微米，且它们分布均匀。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及陶瓷粉末的领域，具体地说，本专利技术涉及一种陶瓷粉末的制造方法和陶瓷粉末以及由此而产生的致密陶瓷构件。近几年来，人们对组合陶瓷材料怀有极大的兴趣，这是因为组合材料的特征大大优于单个组分本身的特性。这些陶瓷组合物既包括纤维增强结构又包括多组分的结构，它们可以应用于各种科技领域之中。这些应用包括用作刀具、压头、喷咀等等。作这些用途以及其它用途时，希望材料尽可能质轻而坚韧。然而，在许多情况下，在满足这些特性中的某一特性时要牺牲其它的一些特性。人们发现，碳化硼具有的硬度极高，而且比重比较小，但其韧性较差(KIC＝3.6MN/m3/2)。另一方面，二硼化钛的硬度接近碳化硼，而且比碳化硼的韧性好，但它比较重。由于这两种材料的特性可以相互取长补短，所以，人们就把研究的注意力放在制造由这两种成分组成的组合物上。研究结果表明，由上述两种材料制成的陶瓷其韧性与二硼化钛的韧性差不多，其硬度超过碳化硼的硬度，同时保持比较小的比重。例如，美国专利2613154号公开了由钛粉和过量硼的碳化硼粉末制造二硼化钛/碳化硼组合物的方法。然而这种方法似乎不适合于在压制的坯件中不加入过量碳或硼的情况下制造各种二硼化钛/碳化硼制品。苏联研究人员曾对这个问题进行了研究，如E·V·Marek的文章“碳化硼与周期表中的第Ⅳ副族过渡金属的反应”，Mater.Izdeliva，Poluchaemye MetodomPoroshk.Metall.，Dokl.Nauchn.Konf.Aspir.Molodykh Issled.Inst.Probl.Materialoved.Akad.Nauk ukr.SSR，6th，7th，Meeting Date 1972～1973，156-9。该论文阐述了硼、碳和钛的混合物，这种混合物经热压变成含有B4C相和TiB2相的组合物。文章指出，这种组合物的显微硬度既高于B4C，又高于TiB2。日本专利申请1985-235764号公开了一种碳化硼/二硼化钛的组合物，这种组合物是通过将碳化硼粉末和二硼化钛粉末分散在如甲苯那样的有机溶剂中，经球磨而制备的，球磨时用碳化钨-钴合金球磨体。然后将球磨后的混合物干燥并冷压。作者报告了一种由含有40%～50%二硼化钛的组合物制成的经烧结的试件极限硬度。美国专利4029000公开了一种碳化硼/二硼化钛组合物，它是由碳化硼和二硼化钛经物理混合而制成的，用来制造熔融金属的喷射泵。碳化硼的颗粒直径为2-6微米，二硼化钛的颗粒直径为5～15微米。其烧结后所得到的硬度小于单独碳化硼烧结后的硬度。人们还对包含钛、硼、碳的其它组合物进行了研究，例如，一些文献还记载了制备由碳化钛和二硼化钛组成的组合材料的各种方法。这些文献包括例如美国专利4138456和3804034，这两篇专利中分别叙述了TiC/TiB2组合物以及TiC/TiB/B4C组合物的制备方法，它们都是将粉末经物理混合制成的。美国专利4266977号公开了将三种组分组成的“均匀(intimate)”混合物在等离子体反应器中制成一种组合物的方法。决定陶瓷组合物的最终有益特性的一个重要因素是各组分的分散程度。为了使微粒组合物达到最佳效果，各种组分在微观上应该均匀地分布。然而，至少在物理混合时很难达到这样均匀的分布，例如利用任意一种研磨方法，其部分原因是由于组分的颗粒结成团。在混合中开始的和结束的成分是不变的混合称为物理混合。这种混合与通过各种措施就地产生最终成分的产品形成对比。在制造“理想”组合材料时另一个考虑的因素是颗粒大小，这是因为人们常常认为设计的陶瓷部件断裂的事故率高是由于小裂纹或砂眼所引起的，而裂纹和砂眼又是由于原来的粉末没有完全压实引起的。解决这个问题的办法是采用极细的组合物粉末，这种粉末的颗粒直径基本上是一样的。这些粉末可以填装得比较结实，并因此减少了形成陶瓷体过程中砂眼数量。E·A·Barringer和H.K.Bowen在美国陶瓷协会杂志1982年65期C-199〔J.Amer.Ceram.Soc，65，C-199(1982)〕上发表了文章“单扩散的TiO2粉末的组成、成型和烧结”，该文章指出，制备高质量陶瓷部件的“理想”陶瓷粉末应该是高纯度的，其颗粒基本上是球状的，并且没有团块，而且这些粉末的颗粒既细又尺寸大小均匀。当陶瓷粉末被烧结时，相邻的颗粒熔合成晶粒。通常，晶粒的大小取决于用来制作部件的粉末颗粒的大小，这样，颗粒较细的粉末烧结后产生的晶粒体就比较细小。在TiB2/B4C组合物中，这一点尤其重要。其中，为了使成品的硬度和韧度达到最大值，TiB2和B4C晶粒大小最好小于或等于20微米，因此，粉末颗粒大小应该最好小于20微米。在没有二硼化钛时，颗粒大小对碳化硼制品完整性的影响已由A.D.Osipov等人进行研究，并在《苏联粉末金属陶瓷》21(1)，55-8(1982)上发表了题为“疏松度和晶粒大小对热压成形碳化硼的机械特性的影响”的文章，作者披露了这样一个事实，即呈细小晶粒的制品的强度大小优于粗大晶粒组成的制品的强度。为了获得所要求的颗粒尺寸，尤其为了使颗粒大小在20微米以下，必须研磨粉末。只要研磨还能使颗粒尺寸减小，就继续研磨，可以加入一些杂质，如金属，当小于一定尺寸时，即使继续研磨，颗粒尺寸也不再减小。这里所说的一定尺寸的大小既取决于被研磨的物质，又取决于所选择的研磨工艺。参看例如W.Summer在《陶瓷公报(CeramicBulletin)》62(2).(1983)212-215上发表的文章“利用振动研磨装置使宽范围的颗粒尺寸的减小(BroadScopeParticleSizereductionbymeansofvibratorygrinding)”。相对于大多数工艺来说，采用研磨工艺可使碳化硼这种坚硬材料的直径最小达到1微米。接着可以要求对研磨物进行如酸浸和清洗那样的步骤，以便增加产物的纯度。这样，就需要提供一种制造二硼化钛/碳化硼陶瓷粉末组合物的方法，用这种方法制造的陶瓷粉末粒细、均匀并且纯度高，这种方法还能使各种组分充分地混合。这种方法可以减小或消除中间产物的延续研磨或净化工序。本专利技术提供了一种制造碳化硼/二硼化钛组合陶瓷粉末的制造方法，这种方法包括(a)充分混合作为反应物的碳化硼和钛源，上述的反应物的平均颗粒尺寸小于20微米，并基本上没有大于50微米的单个不连续的反应区域;(b)使得由步骤(a)所得到的产物发生反应，其反应条件足以产生碳化硼/二硼化钛组合陶瓷粉末。本专利技术还提供了一种由这种粉末制成的致密陶瓷部件，其微观结构的特征在于二硼化钛晶粒的平均尺寸小于20微米、碳化硼晶粒的平均尺寸小于50微米。本专利技术进一步提供了一种陶瓷组合粉末，这种粉末基本上是由碳化硼和二硼化钛组成的。碳化硼和二硼化钛的平均颗粒直径小于20微米，至少一部分碳化硼颗粒成为基体，至少一部分二硼化钛颗粒附着(attached)到上述基体上。本专利技术还提供了一种由这种粉末制成的致密陶瓷部件。最后，本专利技术还提供了一种基本上由碳化硼和二硼化钛组成的致密组合陶瓷部件，其中，碳化硼和二硼化钛晶粒是分散状态，其特征在于，在二硼化钛含量从0.1%到99.9%的范围内，次要相的区域百分比的平均偏离系数小于10，这是用扫描电子显微分析的方法对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造碳化硼／二硼化钛组合陶瓷粉末的方法，包括：（ａ）充分混合作为反应物的碳化硼和钛源，上述的反应物的平均颗粒尺寸小于直径２０微米，并基本上没有大于５０微米的单个不连续的反应物区域；（ｂ）使得由步骤（ａ）所得到的混合物发生反应，从 而形成碳化硼／二硼化钛组合粉末，在这种粉末中至少一部分碳化硼颗粒成为基体，至少一部分二硼化钛颗粒附着到所说的碳化硼基体上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：比赞卡蔡，威廉G穆尔，
申请(专利权)人：唐化学原料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]