[发明专利]可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料制造领域，特别涉及一种可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法。

背景技术

可加工陶瓷通常是指在不使用金刚石刀具的传统切削加工技术的工艺条件下，材料的去除率和表面粗糙度都能满足一定工程使用要求的陶瓷材料，一般加工后表面粗糙度要求小于10μm。目前，制备可加工陶瓷主要是利用一些优异的增韧补强方法和复合方法，通过合理的组分搭配来提高可加工陶瓷材料力学性能，调和陶瓷材料的可加工性和其强度这一矛盾。例如通过纳米技术、六方氮化硼(h-BN)第二相增韧技术等来制备可加工性良好、强度高的陶瓷材料。

但是，高硬度以及由此带来的耐磨损等许多性能是陶瓷材料的独特优势，随着加工性能的提高，可加工陶瓷的硬度却随之下降，也就是说可加工性能和硬度是一对矛盾，很大程度上限制了可加工陶瓷的应用领域。陶瓷材料的硬度与其硬质相的含量多少有关，无法通过单纯改变材料的显微结构来提高可加工陶瓷的硬度。因此，寻找一种新的工艺路线制备既可加工、硬度又高的复相陶瓷显得尤为迫切。

发明内容

本发明针对目前可加工陶瓷材料的上述技术缺陷，提供一种可加工复相陶瓷材料及其制备方法和二次硬化热处理方法。该复相可加工陶瓷材料可以方便地进行机械加工，加工后经过二次硬化热处理，可以大幅提高其硬度，拓宽其应用领域。

为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现的：

可加工复相陶瓷材料，其重量百分比组分为：(1)40-80％氧化铝(Al₂O₃)、5-30％六方氮化硼(h-BN)、5-50％铝(Al)；或(2)40-80％碳化硅(SiC)、5-30％六方氮化硼(h-BN)、5-50％铝(Al)；或(3)40-80％氧化铝(Al₂O₃)、5-30％六方氮化硼(h-BN)、5-50％钛(Ti)；或(4)40-80％碳化硅(SiC)、5-30％六方氮化硼(h-BN)、5-50％钛(Ti)。

其进一步优化组分配比为：(1)60-80％Al₂O₃、5-30％h-BN、10-30％Al；或(2)40-60％SiC、10-30％h-BN、20-50％Al；或(3)60-80％Al₂O₃、5-30％BN、10-30％Ti；或(4)40-60％SiC、10-30％h-BN、20-50％Ti。

可加工复相陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：在上述重量百分比范围内配料，球磨混合粉末，然后在等离子活化(PAS)炉中一次烧结，其中升温速率200-500℃/min，压力30-60MPa，真空度0-10Pa，烧结温度800-1300℃，保温2-4min，最后随炉冷却即得。其一次烧结的进一步优化工艺参数为：升温速率300-500℃/min，压力30-50MPa，真空度6-10Pa，烧结温度900-1200℃，保温2-4min。

可加工复相陶瓷材料的二次硬化热处理方法，将上述制备的可加工复相陶瓷材料机械加工成产品，放入热处理炉中，在N₂气保护下，先以5-10℃/min升至900-1200℃，再以2-5℃/min升至1600-1800℃，保温2-3h，最后随炉冷却即可。其进一步的优化工艺参数为：热处理炉中，在N₂气保护下，先以5-7℃/min升至1000-1200℃，再以5℃/min升至1600-1700℃，保温2-3h，最后随炉冷却即可。

本发明具有明显的有益效果。由于本发明将含有h-BN、Al(或Ti)以及陶瓷基体相(Al₂O₃或SiC)的混合粉末，放入PAS中快速升温，h-BN与Al来不及反应或只有部分反应，一次烧结后的陶瓷中存在着h-BN、Al(或Ti)弱质相，得到的复相陶瓷材料具有一定强度，但是硬度不高，方便加工；将制备的可加工复相陶瓷材料机械加工成产品后进行热处理，原位生成AlN、AlB₂、TiN、TiB₂等硬质相，这些硬质相与基体相相容性好、界面强度高、颗粒尺寸小，对整个陶瓷基体的硬度和强度都起到了增加的作用。