[发明专利]一种具有高硬、高韧性能的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明属于陶瓷材料技术领域，公开了一种具有高硬、高韧性能的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用，所述氮化硅陶瓷是将Si₃N₄粉和烧结助剂MgO和CeO₂混合，加入溶剂以Si₃N₄球为介质进行球磨，干燥后得到Si₃N₄‑MgO‑CeO₂的混合粉体；将上述混合粉体在1atm的保护气氛下，通过热压烧结，先升温Ⅰ至1000～1200℃，再升温Ⅱ至1200～1600℃保温，保温过程轴向压为10～50MPa制得。本发明Si₃N₄陶瓷的晶粒尺寸较小，硬度较高；通过加入低温烧结助剂在保证高硬度的前提下其断裂韧性又得到提高，其耐磨性及切削性能较好，可用于制备高性能Si₃N₄陶瓷的切削刀具。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种具有高硬、高韧性能的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

氮化硅陶瓷是一种新型刀具材料，具有高硬度，强耐磨性，较好的抗弯性能，较好的热红硬性和化学稳定等，主要应用于高效、高速切削，且不容易产生积屑瘤，可有效解决淬硬钢及铸铁等材料的难加工问题。

传统烧结的氮化硅陶瓷刀具主要以β-Si₃N₄相为主相，故硬度较低，耐磨性差。在工业生产中，刀具的切削寿命较短，因此，提升刀具的有效加工质量和长度是目前需解决的最主要问题。目前，研究学者广泛使用各种纳米添加剂对氮化硅陶瓷进行改性，SiC和TiN是常用的添加剂，如山东大学已成功研制TiN/Si₃N₄W/Si₃N₄纳米复合氮化硅基刀具材料并表现出良好的高速切削性能。此外，除通过添加纳米增强相提高氮化硅刀具的切削性能外，于等人通过两步热压烧结法及热压与放电等离子结合烧结法实现氮化硅梯度陶瓷的制备并显著提高切削刀具的使用寿命，但其制备工艺复杂，难以实现大批量应用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种具有高硬、高韧性能的氮化硅陶瓷。

本发明的另一目的在于提供上述高硬、高韧性能氮化硅陶瓷的制备方法。该方法通过引入少量低温烧结助剂MgO-CeO₂，通过低温热压烧结的方式实现高硬、高韧性能氮化硅陶瓷的制备。

本发明的再一目的在于提供上述高硬、高韧性能氮化硅陶瓷的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种具有高硬、高韧性能的氮化硅陶瓷，所述氮化硅陶瓷是将Si₃N₄粉和烧结助剂MgO和CeO₂混合，加入溶剂以Si₃N₄球为介质进行球磨，干燥后得到Si₃N₄-MgO-CeO₂的混合粉体；将上述混合粉体在1atm的保护气氛下，通过热压烧结，先升温Ⅰ至1000～1200℃，再升温Ⅱ至1200～1600℃保温，保温过程轴向压为10～50MPa制得。

优选地，所述Si₃N₄粉的纯度为98～100％，粒径为1～5μm；MgO粉的纯度为99.5～99.9％，粒径为0.5～1μm；CeO₂粉的纯度为99.5～99.9％，粒径为0.5～1μm；所述Si₃N₄：MgO：CeO₂的质量比为(98～90)：(1～5)：(1～5)。

更为优选地，所述Si₃N₄：MgO：CeO₂的质量比为48：1：1。