一种高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高强度氮化硅陶瓷材料，由以下重量百分比的原料制备而成：氧化钇3～4％，氮化钛1～2％，氧化铝1～1.5％，改性六硼化锶2～3％，其余为氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。本发明专利技术还提供了该高强度氮化硅陶瓷材料的制备方法。本发明专利技术所提供的高强度氮化硅陶瓷材料具有较好的硬度、抗弯强度、弹性模量以及抗热震性能，适用于高性能要求的各种刀具。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及一种陶瓷材料，特别是涉及一种高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
陶瓷刀具材料由于具有高硬度、高耐磨性、高耐热性和高化学稳定性等优良的性能，在高速切削领域和切削难加工材料方面与涂层刀具在内的硬质合金刀具相比具有较明显的优势。氮化硅陶瓷刀具的主要原料是自然界很丰富的氮和硅，用氮化硅代替硬质合金可节约大量W、Co、Ta和Nb等重要的金属。不过氮化硅基陶瓷刀具材料也有其本身的弱点，比如强度和韧性不佳、热膨胀系数较高、导热性和抗热震性偏弱，限制了其应用范围。目前国内外对此进行了大量的研究，采用优化烧结工艺、添加第二相、自增韧机制、对材料进行相应的热处理和低温处理等增韧补强机制来提高氮化硅陶瓷材料的力学性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高强度氮化硅陶瓷材料，其具有较好的硬度、抗弯强度、弹性模量以及抗热震性能，适用于高性能要求的各种刀具。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种高强度氮化硅陶瓷材料，由以下重量百分比的原料制备而成：氧化钇3～4％，氮化钛1～2％，氧化铝1～1.5％，改性六硼化锶2～3％，其余为氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。进一步地，本专利技术所述改性六硼化锶由以下步骤制成：将六硼化锶、无水乙醇、超纯水、氨水加入烧瓶中，室温搅拌10分钟后超声分散10分钟，然后将正硅酸四乙酯加入烧瓶中，搅拌反应4小时得到反应液，将反应液离心分离得到固体物，将固体物用去离子水洗涤3次，置于真空干燥箱中100℃下干燥24小时得到改性六硼化锶。进一步地，本专利技术所述改性六硼化锶的制备步骤中，六硼化锶、无水乙醇、超纯水、氨水、正硅酸乙酯的比例为1g:1000mL:250mL:40mL:50mL，离心分离时的速度为4000转/分。进一步地，本专利技术所述氮化硅的纯度≥99％。本专利技术要解决的另一技术问题提供上述高强度氮化硅陶瓷材料的制备方法。为解决上述技术问题，技术方案是：一种高强度氮化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：S1.按重量百分比称取各原料，将氧化钇、氮化钛、氧化铝、改性六硼化锶、氮化硅加入无水乙醇，超声分散25～30分钟得到混悬液；S2.将步骤S1所得混悬液加入球磨罐中，通氮气保护下加入无水乙醇、球磨球，球磨10～12小时后得到球磨浆料；S3.将步骤S2所得球磨浆料置于真空干燥箱中真空干燥8～10小时，取出后过200目筛得到混合粉料；S4.将步骤S3所得混合粉料通过干压成型得到压坯；S5.通氮气保护下将步骤S4所得压坯置于烧结炉中，真空热压烧结后随炉冷却至室温得到高强度氮化硅陶瓷材料。进一步地，本专利技术所述步骤S1中，无水乙醇的重量为氧化钇、氮化钛、氧化铝、改性六硼化锶、氮化硅总重量的1.2倍。进一步地，本专利技术所述步骤S2中，球磨球为硬质合金球，混悬液、无水乙醇、球磨球的质量比为1:1.2:8。进一步地，本专利技术所述步骤S3中，真空干燥的温度为100～120℃。进一步地，本专利技术所述步骤S4中，干压成型时的压力为200MPa，保压时间为2分钟，卸压速度为100Mpa/分。进一步地，本专利技术所述步骤S5中，真空热压烧结的温度为1650～1750℃，升温速度为10℃/分，保温时间为60～75分钟，压力为18～20MPa。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术以氮化硅为主体，以氮化钛、改性六硼化锶为增强剂，以氧化钇、氧化铝为烧结助剂，经过球磨、干燥、干压成型、真空热压烧结等步骤制得具有较好的硬度、抗弯强度、弹性模量以及抗热震性能的高强度氮化硅陶瓷材料。2)本专利技术使用正硅酸四乙酯等将六硼化锶进行改性处理制得具有二氧化硅包覆六硼化锶结构的改性六硼化锶，相比未经改性的六硼化锶，改性六硼化锶能在氮化硅粉末中良好地分散，有助于各原料在烧结中形成致密的网状结构，能有效阻碍裂纹扩展，增加断裂能，降低孔隙率，提高晶粒之间的结合强度，进而提高氮化硅陶瓷材料的硬度、抗弯强度、弹性模量以及抗热震性能；此外，改性六硼化锶中的二氧化硅也有助于提高氮化硅陶瓷材料的致密度，进一步提高氮化硅陶瓷材料的抗弯强度、弹性模量。具体实施方式下面将结合具体实施例来详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例及其说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。实施例1高强度氮化硅陶瓷材料，由以下重量百分比的原料制备而成：氧化钇3.5％，氮化钛1.5％，氧化铝1.2％，改性六硼化锶2.8％，其余为纯度≥99％的氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。改性六硼化锶由以下步骤制成：将六硼化锶、无水乙醇、超纯水、氨水加入烧瓶中，室温搅拌10分钟后超声分散10分钟，然后将正硅酸四乙酯加入烧瓶中，搅拌反应4小时得到反应液，将反应液4000转/分速度下离心分离得到固体物，将固体物用去离子水洗涤3次，置于真空干燥箱中100℃下干燥24小时得到改性六硼化锶，六硼化锶、无水乙醇、超纯水、氨水、正硅酸乙酯的比例为1g:1000mL:250mL:40mL:50mL。实施例1的制备方法包括以下步骤：S1.按重量百分比称取各原料，将氧化钇、氮化钛、氧化铝、改性六硼化锶、氮化硅加入无水乙醇，无水乙醇的重量为氧化钇、氮化钛、氧化铝、改性六硼化锶、氮化硅总重量的1.2倍，超声分散27分钟得到混悬液；S2.将步骤S1所得混悬液加入球磨罐中，通氮气保护下加入无水乙醇、硬质合金球，混悬液、无水乙醇、硬质合金球的质量比为1:1.2:8，球磨11小时后得到球磨浆料；S3.将步骤S2所得球磨浆料置于真空干燥箱中110℃下真空干燥9小时，取出后过200目筛得到混合粉料；S4.将步骤S3所得混合粉料通过干压成型得到压坯，干压成型时的压力为200MPa，保压时间为2分钟，卸压速度为100Mpa/分；S5.通氮气保护下将步骤S4所得压坯置于烧结炉中，真空热压烧结后随炉冷却至室温得到高强度氮化硅陶瓷材料，真空热压烧结的温度为1700℃，升温速度为10℃/分，保温时间为70分钟，压力为19MPa。实施例2高强度氮化硅陶瓷材料，由以下重量百分比的原料制备而成：氧化钇3％，氮化钛2％，氧化铝1.1％，改性六硼化锶2.5％，其余为纯度≥99％的氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。改性六硼化锶的制备步骤与实施例1相同。实施例1的制备方法包括以下步骤：S1.按重量百分比称取各原料，将氧化钇、氮化钛、氧化铝、改性六硼化锶、氮化硅加入无水乙醇，无水乙醇的重量为氧化钇、氮化钛、氧化铝、改性六硼化锶、氮化硅总重量的1.2倍，超声分散28分钟得到混悬液；S2.将步骤S1所得混悬液加入球磨罐中，通氮气保护下加入无水乙醇、硬质合金球，混悬液、无水乙醇、硬质合金球的质量比为1:1.2:8，球磨10.5小时后得到球磨浆料；S3.将步骤S2所得球磨浆料置于真空干燥箱中10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度氮化硅陶瓷材料，其特征在于：由以下重量百分比的原料制备而成：氧化钇3～4％，氮化钛1～2％，氧化铝1～1.5％，改性六硼化锶2～3％，其余为氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高强度氮化硅陶瓷材料，其特征在于：由以下重量百分比的原料制备而成：氧化钇3～4％，氮化钛1～2％，氧化铝1～1.5％，改性六硼化锶2～3％，其余为氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。


2.根据权利要求1所述的一种高强度氮化硅陶瓷材料，其特征在于：所述改性六硼化锶由以下步骤制成：
将六硼化锶、无水乙醇、超纯水、氨水加入烧瓶中，室温搅拌10分钟后超声分散10分钟，然后将正硅酸四乙酯加入烧瓶中，搅拌反应4小时得到反应液，将反应液离心分离得到固体物，将固体物用去离子水洗涤3次，置于真空干燥箱中100℃下干燥24小时得到改性六硼化锶。


3.根据权利要求2所述的一种高强度氮化硅陶瓷材料，其特征在于：所述改性六硼化锶的制备步骤中，六硼化锶、无水乙醇、超纯水、氨水、正硅酸乙酯的比例为1g:1000mL:250mL:40mL:50mL，离心分离时的速度为4000转/分。


4.根据权利要求1所述的一种高强度氮化硅陶瓷材料，其特征在于：所述氮化硅的纯度≥99％。


5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种高强度氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.按重量百分比称取各原料，将氧化钇、氮化钛、氧化铝、改性六硼化锶、氮化硅加入无水乙醇，超声分散25～30分钟得到混悬液；
S2.将步骤S1所得混悬液加入球磨罐中，通氮气保护下加入无水...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文伍，任莉，陈祯祯，
申请(专利权)人：宁波银瓷新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33