一种高硬度Sialon陶瓷材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高硬度Sialon陶瓷材料及其制备方法和应用，该Sialon陶瓷材料采用氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉制备而得，具有耐磨性好，硬度高，热稳定性好和韧性好的特点，能够满足苛刻的服役条件。本发明专利技术同时提供了所述材料的制备方法，经混合、球磨处理、水基凝胶注模成型、干燥处理、烧结即得，制备方法简单易行。本发明专利技术提供的高硬度Sialon陶瓷材料可应用于制作陶瓷刀具方面，制备的陶瓷刀具硬度高，断裂韧性好，使用寿命长。

A high hardness Sialon ceramic material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度Sialon陶瓷材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及陶瓷材料
，更具体地，涉及一种高硬度Sialon陶瓷材料及其制备方法和应用。
技术介绍
高温合金具有优异的高温强度和良好的抗氧化性等综合性能，被广泛应用于航天，航空，核反应堆等重要领域。但由于其较差的热性能且有严重的加工硬化现象，高温合金很难被加工。传统的高速钢刀具在加工高温合金时容易崩刃，而硬质合金刀具切削高温合金时的切削速度很低，导致需要寻求一种新型的具有高硬度，高断裂韧性的刀具来加工高温合金。Sialon陶瓷刀具具有较高的高温强度，良好的力学性能和高温抗氧化性，因此可以被应用于高速加工难加工材料，比如高温合金。现有的Sialon陶瓷材料在制备过程中通常采用压制成型或非水基注凝成型，采用压制成型时，受粉末间摩擦阻力的影响，容易造成物料分布不均，影响Sialon陶瓷材料的工作性能，在使用时容易开裂；Sialon陶瓷材料以氮化铝作为原材料，由于氮化铝会与水发生反应，所以在注凝成型只能使用非水基注凝成型，即通过利用有机单体和少量添加剂的化学反应原位凝固成型，然而生产过程中，陶瓷粉料在与非水基凝胶球磨后若不及时倒出容易发生固化，影响后续生产；同时非水基注凝成型对成型时的温度要求较高，提高了生产成本。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种高硬度Sialon陶瓷材料，该材料由氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉制备而成，具有硬度高，耐磨性好，工作温度高和韧性好的优点。本专利技术要解决的另一技术问题是提供所述高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，将氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉与有机溶剂混合经球磨处理、水基凝胶注模成型、干燥处理、烧结即得。该制备方法原材料种类少，工艺设计合理，能大规模应用于工业生产。本专利技术还要解决的技术问题是提供所述高硬度Sialon陶瓷材料在制作陶瓷刀具方面的应用。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种高硬度Sialon陶瓷材料，所述高硬度Sialon陶瓷材料采用氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉作为原材料与水基高分子凝胶制备而得，按照原材料的总质量计，所述氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉质量百分比如下：氮化硅粉为72～78wt％，碳氮化铝粉为8～12wt％，氧化铝粉为10～13wt％，氧化钇粉为3wt％。优选地，所述氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉所占百分比如下：氮化硅粉为75～78wt％，碳氮化铝粉为8～10wt％，氧化铝粉为11～13wt％，氧化钇粉为3wt％。进一步地，所述水基高分子凝胶以蒸馏水、单体、交联剂、分散剂、引发剂、催化剂为原材料。优选地，所述水基高分子凝胶各原材料的质量百分比如下：蒸馏水为71.2wt％、单体为20.4wt％、交联剂为1.4wt％、分散剂为2.3wt％、引发剂为3.9wt％、催化剂为0.8wt％。进一步地，所述单体为N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)，交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)，所述分散剂为聚丙烯酸铵，所述引发剂为过硫酸铵，所述催化剂为四甲基乙二胺。。进一步地，所述高硬度Sialon陶瓷原材料与水基高分子凝胶原材料的质量比为1:0.53。本专利技术还提供一种上述高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：S1.按比例取氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉，与水基高分子凝胶的部分原材料混合均匀，得混合料，将混合料放入球磨机中进行球磨，得球磨料；S2.向步骤S1中制备的球磨料中加入水基高分子凝胶原材料的剩余部分，最后倒入模具，水基凝胶注模成型，得坯体；S3.将步骤S2中的坯体干燥处理；S4.将步骤S3中干燥好的坯体放入烧结炉，烧结冷却后，得高硬度Sialon陶瓷材料。进一步地，步骤S1中所述球磨机中采用的磨球为氧化锆球；球料比为(1.8～2)：1；步骤S1中球磨料的粒径≤1μm。进一步地，步骤S2中所述水基凝胶注模成型过程中溶剂为蒸馏水，单体为N,N-二甲基丙烯酰胺。进一步地，步骤S3中所述干燥是采用鼓风干燥箱烘干球磨料，干燥温度为50℃，时间为24小时。进一步地，步骤S4中所述烧结为常压烧结；所述烧结过程条件如下：第一阶段：在真空度为20～30Pa条件下，通入流动氮气，以10℃/min速率升温至1000℃；第二阶段：以7.5℃/min速率升温至1450℃，保温30min；第三阶段：以6℃/min速率升温至1550～1750℃，保温60～120min；第四阶段：随炉冷却至室温，得Sialon陶瓷材料。一种上述高硬度Sialon陶瓷材料在制作陶瓷刀具方面的应用，具体地，所述应用为：以高硬度Sialon陶瓷材料作为刀具材料，制作刀具。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术以氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉为原材料，经混合，球磨，成型，烘干，烧结后得到高硬度Sialon陶瓷材料，制备工艺简单。通过在原材料里添加碳氮化铝，能有效促进促进Sialon陶瓷中α相的生成，提升Sialon陶瓷材料在高温下的性能。同时，在制备过程中经过球磨后的碳氮化铝能有效促进Sialon陶瓷中发生晶粒细化，使得硬度和断裂韧性大大提高，从而获得优越的力学性能。本专利技术使用的成型方法为水基凝胶注模成型，通过添加AlCN粉末，为Sialon陶瓷的制备提供了一种全新的成型方法，克服了传统Sialon陶瓷制备原料中的AlN成分不适用水基凝胶注模的技术缺陷，获得具有良好微观均匀性和一定强度的坯体。相比于压制成型，此成型方法操作简单，耗时短；相比于非水基注凝成型，此成型方法均匀性好，容易干燥，成本低。本专利技术制备的高硬度Sialon陶瓷材料具有硬度高，耐磨性好，工作温度高和韧性好的特点，可用于制作刀具。使用本专利技术提供的Sialon陶瓷材料制备的刀具工作过程中散热快、冷却效果好，同时硬度高，能够满足苛刻的服役条件，切割性能好，使用寿命长。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合实施例对本专利技术作更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体的实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。本专利技术中所用碳氮化铝粉末来源为宁波金雷纳米材料科技有限公司，型号为JL-ALCN-1。在凝胶注模成型过程中，为了使水基高分子凝胶能完全包裹原材料粉体，防止出现开裂，本专利技术中Sialon陶瓷原材料与水基高分子凝胶原材料的质量比为1:0.53。其中水基高分子凝胶各原材料的质量百分比如下：蒸馏水为71.2wt％、单体为20.4wt％、交联剂为1.4wt％、分散剂为2.3wt％、引发剂为3.9wt％、催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述高硬度Sialon陶瓷材料采用氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉作为原材料与水基高分子凝胶制备而得，按照原材料的总质量计，所述氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉质量百分比如下：氮化硅粉为72~78wt%，碳氮化铝粉为8~12wt%，氧化铝粉为10~13wt%，氧化钇粉为3wt%。/n

【技术特征摘要】
1.一种高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述高硬度Sialon陶瓷材料采用氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉作为原材料与水基高分子凝胶制备而得，按照原材料的总质量计，所述氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉质量百分比如下：氮化硅粉为72~78wt%，碳氮化铝粉为8~12wt%，氧化铝粉为10~13wt%，氧化钇粉为3wt%。


2.根据权利要求1所述的高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述氮化硅粉、碳氮化铝粉、氧化铝粉、氧化钇粉所占百分比如下：氮化硅粉为75~78wt%，碳氮化铝粉为8~10wt%，氧化铝粉为11~13wt%，氧化钇粉为3wt%。


3.根据权利要求1所述的高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述水基高分子凝胶以蒸馏水、单体、交联剂、分散剂、引发剂、催化剂为原材料。


4.根据权利要求3所述的高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述单体为N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)，交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)，所述分散剂为聚丙烯酸铵，所述引发剂为过硫酸铵，所述催化剂为四甲基乙二胺。


5.根据权利要求3所述的高硬度Sialon陶瓷材料，其特征在于，所述Sialon陶瓷原材料与水基高分子凝胶原材料的质量比为1:0.53。


6.一种权利要求1~5任一项所述高硬度Sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.按比例取氮化硅粉、...

【专利技术属性】
技术研发人员：银锐明，吴泱，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43