ZrO.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911117041.8 (22)申请日 2019.11.15 (71)申请人 鞍钢集团矿业有限公司 地址 114001 辽宁省鞍山市铁东区二一九 路39号 (72)发明人 郭客窦国语胡泉于开波 徐小革柴青平吴震宇戴若丁 (74)专利代理机构 鞍山贝尔专利代理有限公司 21223 代理人 乔丽艳 (51)Int.Cl. C04B 35/81(2006.01) C04B 35/119(2006.01) C04B 35/622(2006.01) (54)发明名称 ZrO2和TiC

2、协同增韧的Al2O3基陶瓷材料及制 备方法 (57)摘要 本发明的目的针对于现有技术中相变增韧、 纤维增韧和颗粒增韧三种手段相结合增强Al2O3 基陶瓷的方式尚没有研究的问题， 提供了一种 ZrO2和TiC协同增韧的Al2O3基陶瓷材料及制备方 法， 属于陶瓷材料领域。 陶瓷材料的各组分体积 百分比为： ZrO2晶须520， TiC纳米颗粒5 10， MnO20 .53， Y2O301， 余量为 Al2O3。 该陶瓷材料是在Al2O3基体中加入ZrO2晶 须和TiC纳米颗粒， 并通过合理的材料配方和工 艺， 提供一种高硬度、 高强度、 高耐磨并具有韧性 优势的Al2O3基陶瓷材料。 权利要求书

3、1页 说明书4页 附图1页 CN 110981521 A 2020.04.10 CN 110981521 A 1.一种ZrO2和TiC协同增韧的Al2O3基陶瓷材料， 其特征在于， 所述的陶瓷材料的各组分 体积百分比为： ZrO2晶须520， TiC纳米颗粒510， MnO20.53， Y2O3 01， 余量 为Al2O3。 2.根据权利要求1所述的Al2O3基陶瓷材料， 其特征在于， 所述的ZrO2晶须平均直径为 0.15 m， 平均长度为10100 m； 所述的TiC纳米颗粒平均粒径为30100nm； 所述的Al2O3 平均粒径为100800nm； 所述的MnO2平均粒径为100800nm

4、； 所述的Y2O3平均粒径为13 m。 3.权利要求1或2所述Al2O3基陶瓷材料的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： (1)以乙醇和聚乙二醇混合液作为分散介质， 按比例量取ZrO2晶须和TiC纳米颗粒， 并将 二者分别在分散介质中进行第一次超声振荡处理， 再将ZrO2晶须分散液和TiC纳米颗粒分 散液混合， 再进行第二次超声振荡处理； (2)将Al2O3、 MnO2、 Y2O3混合粉在去离子水中进行第一次球磨， 再加入已处理过的ZrO2晶 须和TiC纳米颗粒分散液混合进行第二次球磨， 烘干； (3)将干燥粉末过筛， 得到混合均匀的复合粉体； (4)将过筛后的复合粉体放入石墨模具中热压烧

5、结成型既得Al2O3基陶瓷材料。 4.根据权利要求3所述Al2O3基陶瓷材料的制备方法， 其特征在于， 所述步骤(1)中乙醇 和聚乙二醇分散介质的体积比为2535 1。 5.根据权利要求3所述Al2O3基陶瓷材料的制备方法， 其特征在于， 所述步骤(1)中第一 次超声振荡处理时间为2030min， 第二次超声振荡处理时间为1020min。 6.根据权利要求3所述Al2O3基陶瓷材料的制备方法， 其特征在于， 所述步骤(2)中第一 次球磨时， 混合粉体、 磨球和去离子水的体积比为1 69 1.53。 7.根据权利要求3所述Al2O3基陶瓷材料的制备方法， 其特征在于， 所述步骤(2)中两次 球磨

6、处理时间均为1530h。 8.根据权利要求3所述Al2O3基陶瓷材料的制备方法， 其特征在于， 所述步骤(3)中过筛 为100目筛。 9.根据权利要求3所述Al2O3基陶瓷材料的制备方法， 其特征在于， 所述步骤(4)中热压 烧结温度为16001900， 压力为3050MPa， 保温时间为12h。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110981521 A 2 ZrO2和TiC协同增韧的Al2O3基陶瓷材料及制备方法 技术领域 0001 本发明属于陶瓷材料领域， 尤其涉及一种ZrO2晶须和TiC纳米颗粒协同增韧的 Al2O3基陶瓷材料及制备方法。 背景技术 0002 随着新材料力学性能的逐步提高

7、， 其机械切削加工效率难以保证， 因此， 对刀具材 料的耐磨性能提出了新的挑战。 先进陶瓷刀具材料具有高硬度、 高耐磨性、 高耐热性、 高耐 腐蚀性等诸多优点， 但其脆性大， 韧性和抗弯强度不如传统的硬质合金刀具材料。 然而， 在 硬质合金刀具材料的主要成分钨、 钴等金属资源稀缺的今天， 其价格也随之日益增长。 因 此， 如何提高陶瓷刀具材料的韧性和抗弯强度， 使其能够代替硬质合金刀具材料， 成为研究 工作者的工作热点。 0003 氧化铝陶瓷常见的增韧方法主要有颗粒增韧、 相变增韧、 纤维增韧、 原位生长增 韧、 复合协同增韧等方式。 目前， 通过采用多种增韧机制复合的方式提高Al2O3基陶瓷

8、材料 韧性受到广泛的关注， 主要方法有： 多相颗粒复合增韧、 纤维-颗粒复合增韧等。 多相颗粒复 合增韧是利用不同尺寸的增强相颗粒来达到多相复合增韧的目的； 晶须-颗粒复合增韧， 即 利用金属颗粒的塑性变形及桥联， 加上晶须受力时与基体发生脱黏、 拔出所消耗的能量， 及 其裂纹的偏转提供Al2O3基陶瓷材料力学性能。 专利CN1148580A提出了一种利用SiCw晶须和 SiCp颗粒协同增强Al2O3陶瓷材料及其加工工艺， 但性能提升有限； 专利CN107673772A提出 了一种添加氧化锆晶须的Al2O3/Ti(C， N)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法， 取得了不错 的效果， 但其基体为A

9、l2O3/Ti(C， N)纳米复合材料； 专利CN102557702A提出了一种制备硼化 钛晶须、 颗粒协同增韧氮化钛基陶瓷刀具材料及其制备方法， 也在协同增韧陶瓷刀具方面 取得了不错的成绩。 0004 但是， 相变增韧、 纤维增韧和颗粒增韧三种手段相结合增强Al2O3基陶瓷的方式尚 没有研究。 发明内容 0005 本发明的目的针对于现有技术中相变增韧、 纤维增韧和颗粒增韧三种手段相结合 增强Al2O3基陶瓷的方式尚没有研究的问题， 提供了一种ZrO2和TiC协同增韧的Al2O3基陶瓷 材料及制备方法。 该陶瓷材料是在Al2O3基体中加入ZrO2晶须和TiC纳米颗粒， 并通过合理的 材料配方和

10、工艺， 提供一种高硬度、 高强度、 高耐磨并具有韧性优势的Al2O3基陶瓷材料。 0006 一种ZrO2和TiC协同增韧的Al2O3基陶瓷材料， 所述的陶瓷材料的各组分体积百分 比为： ZrO2晶须520， TiC纳米颗粒510， MnO2 0.53， Y2O3 01， 余量为Al2O3； 0007 所述的ZrO2晶须平均直径为0.15 m， 平均长度为10100 m； 0008 所述的TiC纳米颗粒平均粒径为30100nm； 0009 所述的Al2O3平均粒径为100800nm； 0010 所述的MnO2平均粒径为100800nm； 说明书 1/4 页 3 CN 110981521 A 3

11、0011 所述的Y2O3平均粒径为13 m。 0012 上述Al2O3基陶瓷材料的制备方法， 包括以下步骤： 0013 (1)以乙醇和聚乙二醇混合液作为分散介质， 按比例量取ZrO2晶须和TiC纳米颗 粒， 并将二者分别在分散介质中进行第一次超声振荡处理， 再将ZrO2晶须分散液和TiC纳米 颗粒分散液混合， 再进行第二次超声振荡处理； 0014 (2)将Al2O3、 MnO2和Y2O3或Al2O3和MnO2混合粉在去离子水中进行第一次球磨， 再加 入已处理过的ZrO2晶须和TiC纳米颗粒分散液混合进行第二次球磨， 烘干； 0015 (3)将干燥粉末过筛， 得到混合均匀的复合粉体； 0016

12、(4)将过筛后的复合粉体放入石墨模具中热压烧结成型既得Al2O3基陶瓷材料。 0017 上述制备方法中， 所述步骤(1)中乙醇和聚乙二醇分散介质的体积比为2535 1。 0018 上述制备方法中， 所述步骤(1)中第一次超声振荡处理时间为2030min， 第二次 超声振荡处理时间为1020min。 0019 上述制备方法中， 所述步骤(2)中第一次球磨时， 混合粉体、 磨球和去离子水的体 积比为1 69 1.53。 0020 上述制备方法中， 所述步骤(2)中两次球磨处理时间均为1530h。 0021 上述制备方法中， 所述步骤(3)中过筛为100目筛。 0022 上述制备方法中， 所述步骤(

13、4)中热压烧结温度为16001900， 压力为30 50MPa， 保温时间为12h。 0023 上述制备方法制得的Al2O3基陶瓷材料的硬度为14311771HV， 抗弯强度为810 950MPa， 断裂韧度7.18.7MPam1/2。 0024 与现有技术相比， 本发明的优势在于： 0025 本发明将相变增韧、 纤维增韧和颗粒增韧三种手段相结合， Al2O3基陶瓷材料所添 加的ZrO2晶须起到相变增韧、 纤维增韧效果， TiC纳米颗粒起到颗粒增韧效果， 添加纳米MnO2 和Y2O3为助烧结剂， 多种增韧机理协同作用， 力学性能明显改善， 能大幅度提高Al2O3基陶瓷 刀具的断裂韧性和抗弯强度

14、， 因此可以有效地提高此材料的使用寿命， 使其性价比大幅度 提升。 附图说明 0026 图1、 本发明实施例1中ZrO2晶须和TiC纳米颗粒协同增韧的Al2O3基陶瓷材料断裂 韧性断口的SEM图片； 0027 图2、 本发明实施例2中ZrO2晶须和TiC纳米颗粒协同增韧的Al2O3基陶瓷材料断裂 韧性断口的SEM图片。 具体实施方式 0028 以下实施例中ZrO2晶须， TiC纳米颗粒， MnO2， Y2O3， Al2O3均为市购。 ZrO2晶须平均直 径为0.15 m， 平均长度为10100 m； TiC纳米颗粒平均粒径为30100nm； Al2O3平均粒径 为100800nm； MnO2平

15、均粒径为100800nm； Y2O3平均粒径为13 m。 0029 实施例1 0030 Al2O3基陶瓷材料， 量取ZrO2晶须5mL， TiC纳米颗粒5mL， MnO22mL， Y2O30.5mL， 说明书 2/4 页 4 CN 110981521 A 4 Al2O387.5mL。 0031 其制备方法以下步骤： 0032 (1)使用乙醇和聚乙二醇300作为分散介质， 二者体积比为30 1混合， 总体积为 62mL； 0033 (2)将ZrO2晶须和TiC纳米颗粒分别在分散介质中用超声振荡处理20min， 再将两 种分散液混合， 再用超声振荡处理15min； 0034 (3)将Al2O3、

16、MnO2和Y2O3粉在去离子水中进行球磨20h， 混合粉体、 磨球和去离子水 的体积比， 为1 7 2， 再加入已处理过的ZrO2晶须和TiC纳米颗粒混合球磨20h， 烘干； 0035 (4)干燥后过100目不锈钢筛， 得到混合均匀的复合粉体； 0036 (5)将过筛后的复合粉体放入石墨模具中进行热压烧结成型， 温度为1700， 压力 为40MPa， 保温时间为1.5h， 既得Al2O3基陶瓷材料， 由图1看出， 本实施例中纳米颗粒的弥散 增强增韧作用占主导地位， 使得陶瓷晶粒细化， 从而提高了Al2O3基陶瓷材料的力学性能。 0037 实施例2 0038 Al2O3基陶瓷材料， 量取ZrO2

17、晶须10mL， TiC纳米颗粒10mL， MnO22mL， Y2O30.5mL， Al2O377.5mL， 既得Al2O3基陶瓷材料， 晶须的拔出机制是其改善韧性的关键机理， 由图2看 出， 本实施例中在该含量下晶须和纳米颗粒很好地发挥了协同增强增韧的效果， 从而使该 实施例获得了十分优异的力学性能。 0039 其制备方法与实施例1相同。 0040 实施例3 0041 Al2O3基陶瓷材料， 量取ZrO2晶须15mL， TiC纳米颗粒5mL， MnO22mL， Y2O30.5mL， Al2O377.5mL。 0042 其制备方法与实施例1相同。 0043 实施例4 0044 Al2O3基陶瓷材

18、料， 量取ZrO2晶须20mL， TiC纳米颗粒5mL， MnO22mL， Y2O30.5mL， Al2O372.5mL。 0045 其制备方法与实施例1相同。 0046 实施例5 0047 Al2O3基陶瓷材料， 量取ZrO2晶须20mL， TiC纳米颗粒7.5mL， MnO22mL， Y2O30.5mL， Al2O370mL。 0048 其制备方法与实施例1相同。 0049 实施例6 0050 Al2O3基陶瓷材料， 量取ZrO2晶须15mL， TiC纳米颗粒7.5mL， MnO20.5mL， Al2O377mL。 0051 制备方法同实施例1， 区别在于， 制备方法的步骤(1)中： 乙醇

19、和聚乙二醇300二者 体积比为25 1混合， 总体积为52mL； 步骤(2)中： 将ZrO2晶须和TiC纳米颗粒分别在分散介质 中用超声振荡处理25min， 再用超声振荡处理10min； 步骤(3)中： 第一次球磨30h， 混合粉体、 磨球和去离子水的体积比， 为1 6 3， 第二次球磨30h； 步骤(5)中： 热压烧结成型温度为1600 ， 压力为50MPa， 保温时间为1h。 0052 实施例7 0053 Al2O3基陶瓷材料， 量取ZrO2晶须15mL， TiC纳米颗粒7.5mL， MnO23mL， Y2O31mL， 说明书 3/4 页 5 CN 110981521 A 5 Al2O37

20、3.5mL。 0054 制备方法同实施例1， 区别在于， 制备方法的步骤(1)中： 乙醇和聚乙二醇300二者 体积比为35 1混合， 总体积为72mL； 步骤(2)中： 将ZrO2晶须和TiC纳米颗粒分别在分散介质 中用超声振荡处理30min， 再用超声振荡处理20min； 步骤(3)中： 第一次球磨15h， 混合粉体、 磨球和去离子水的体积比， 为1 9 1.5， 第二次球磨15h； 步骤(5)中： 热压烧结成型温度为 1900， 压力为30MPa， 保温时间为2h。 0055 对比例1 0056 Al2O3基陶瓷材料， 量取MnO22mL， Y2O30.5mL， Al2O397.5mL。

21、0057 其制备方法与实施例1相同。 0058 对比例2 0059 Al2O3基陶瓷材料， 量取ZrO2晶须5mL， MnO22mL， Y2O30.5mL， Al2O387.5mL。 0060 其制备方法与实施例1相同。 0061 对比例3 0062 Al2O3基陶瓷材料， 量取TiC纳米颗粒5mL， MnO22mL， Y2O30.5mL， Al2O387.5mL。 0063 其制备方法与实施例1相同。 0064 上述三个对照组与实施例15的力学性能如表1所示。 0065 表1材料的力学性能 0066 0067 说明书 4/4 页 6 CN 110981521 A 6 图1 图2 说明书附图 1/1 页 7 CN 110981521 A 7