一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法.pdf

本发明涉及陶瓷制备技术领域，具体为一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法。本发明通过添加Ni3Al混合粉体，由AlMgB14预反应粉和Ni3Al混合粉体按一定的比例组成复合原料，可改进铝镁硼陶瓷的断裂韧性。尤其是在Ni3Al中配合添加一定量的Cr、Zr、Y、V和B，对Ni3Al进行改性，可显著提高最终制得的陶瓷材料的断裂韧性。通过使硼粉先经高温热处理再与铝粉、镁粉混合，然后经高压加热制得AlMgB14预反应粉，配合该工艺可进一步提高铝镁硼陶瓷的性能。本发明制备方法的工艺简单易行，所制备的铝镁硼陶瓷断裂韧性好、强度高、致密性好、高温性能好。

权利要求书
1.  一种高韧性铝镁硼陶瓷，由复合原料制成，其特征在于，所述复合原料包括以下质量百分比的各组分：80-95％的AlMgB14预反应粉，5-20％的Ni3Al混合粉体；
所述AlMgB14预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后在20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却并研磨后制得。

2.  根据权利要求1所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述Ni3Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B，余量为Ni。

3.  根据权利要求2所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述Ni3Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19.7％的Al，9.2％的Cr，0.62％的Zr，0.62％的Y，0.62％的V，0.99％的B，余量为Ni。

4.  根据权利要求1或2所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述复合原料包括以下质量百分比的各组分：80-90％的AlMgB14预反应粉，20-10％的Ni3Al混合粉体。

5.  根据权利要求4所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述用于制备AlMgB14预反应粉的硼粉经真空加热至1500℃并保温2h处理。

6.  根据权利要求5所述一种高韧性铝镁硼陶瓷，其特征在于，所述铝粉的粒径为1-2μm，镁粉的粒径为60-80μm，硼粉的粒径为2-5μm。

7.  一种如权利要求1所述高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在 于，包括以下步骤：
S1混料：将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物，然后将混合物置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB14，将AlMgB14研磨后得到AlMgB14预反应粉；接着按比例将AlMgB14预反应粉和Ni3Al混合粉体混合均匀，得复合原料；
S2球磨：将复合原料置于球磨机中，以200-360r/min的速度球磨6h-10h；
S3热压烧结：将复合原料装入模具中并将模具置于烧结炉中，以10-30℃/min的速度升温至1450-1750℃，保温0.5-2h，压力为30MPa，然后停止加热并随烧结炉冷却至室温，得陶瓷材料。

8.  根据权利要求7所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将混合物置于球磨机中球磨10h，然后将混合物装入模具中并冷压成生坯，所述生坯的密度为理论密度的60％；接着将生坯置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB14，将AlMgB14粉碎后得到AlMgB14预反应粉。

9.  根据权利要求8所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中，先将用于制备AlMgB14预反应粉的硼粉置于1×10-3Pa的真空炉中，由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉降温至室温；接着再将硼粉、镁粉和铝粉按比例混合。

10.  根据权利要求7所述一种高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的Ni3Al混合粉体由以下步骤制得：将19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B和余量的Ni混合在一起，得混合粉体；在惰性气氛下球磨混合粉体50h， 得Ni3Al混合粉体。

说明书一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种高韧性铝镁硼陶瓷及其制备方法。
背景技术
研究发现，通过掺杂工艺，AlMgB14能够由绝缘材料变成导电材料，从而使得复杂形状的结构可以通过电火花加工而获得，而且AlMgB14和钢之间具有超低的摩擦系数，可以减少材料的磨损，提高设备的能源效率和零件的使用寿命。因此，高硬度、导电性、超低的摩擦系数这些优异的性能使得AlMgB14有望成为新型的陶瓷刀具材料。然而，目前AlMgB14的断裂韧性很低(3.0-4.1MPm1/2)，众所周知，低断裂韧性的陶瓷材料是无法在金属切削刀具上得到应用的。因此，需要改善AlMgB14陶瓷材料的断裂韧性。
发明内容
本发明针对现有AlMgB14的断裂韧性低的问题，将采用晶须增韧、复合第二相增韧和裂纹搭桥增韧的方法，使用Ni3Al金属间化合物作为一种增韧相，大幅增加AlMgB14的断裂韧性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种高韧性铝镁硼陶瓷，由复合原料制成，所述复合原料包括以下质量百分比的各组分：80-95％的AlMgB14预反应粉，5-20％的Ni3Al混合粉体。
优选的，所述的复合原料中各组分的质量百分比为：80-90％的AlMgB14
预反应粉，10-20％的Ni3Al混合粉体。更优选的，所述的复合原料中各组分的质量百分比为：90％的AlMgB14预反应粉，10％的Ni3Al混合粉体。
上述AlMgB14预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后在20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却并研磨后制得。
上述Ni3Al混合粉体中含有以下质量百分比的各组分：19-20％的Al，9.0-9.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B，余量为Ni。优选的，Ni3Al混合粉体中各组分的质量百分比为：19.7％的Al，9.2％的Cr，0.62％的Zr，0.62％的Y，0.62％的V，0.99％的B，余量为Ni。
优选的，制备AlMgB14预反应粉所用的硼粉经真空加热至1500℃并保温2h处理。
优选的，所述铝粉的粒径为1-2μm，镁粉的粒径为60-80μm，硼粉的粒径为2-5μm。
以上所述高韧性铝镁硼陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1混料：将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物，然后将混合物置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB14，将AlMgB14研磨后得到AlMgB14预反应粉；接着按比例将AlMgB14预反应粉和Ni3Al混合粉体混合均匀，得复合原料。优选的，所得复合原料过80-200目筛。
优选的，先将制备AlMgB14预反应粉所用的硼粉置于1×10-3Pa的真空炉中，由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉冷却至室温；接着再将硼
粉、镁粉和铝粉按比例混合。
优选的，先将混合物置于球磨机中球磨10h，然后将混合物装入模具中并冷压成生坯，所述生坯的密度为理论密度的60％；接着将生坯置于20MPa下加热至1350-1450℃并保温90min，冷却后制得AlMgB14，将AlMgB14研磨后得到AlMgB14预反应粉。
优选的，所述的Ni3Al混合粉体由以下步骤制得：将19-20％的Al，8.0-8.5％的Cr，0.6-0.65％的Zr，0.6-0.65％的Y，0.6-0.65％的V，0.95-1％的B和余量的Ni混合，得混合粉体；然后在惰性气体的气氛下球磨混合粉体50h，得Ni3Al混合粉体。所用的研磨球是直径为10mm的硬质合金球，球料比为10:1。
S2球磨：将复合原料置于球磨机中，以200-360r/min的速度球磨6-10h。优选的，所述球磨机中，研磨球与复合原料的质量比为14-16:1。
S3热压烧结：将复合原料装入模具中并将模具置于烧结炉中，以10-30℃/min的速度升温至1450-1750℃，保温0.5-2h，压力为30MPa，然后停止加热并随烧结炉冷却至室温，得陶瓷材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过添加Ni3Al混合粉体，由AlMgB14预反应粉和Ni3Al混合粉体按一定的比例组成复合原料，可改进铝镁硼陶瓷的断裂韧性。尤其是在Ni3Al中配合添加一定量的Cr、Zr、Y、V和B，对Ni3Al进行改性，可显著提高最终制得的陶瓷材料的断裂韧性。通过使硼粉先经高温热处理再与铝粉、镁粉混合，然后经高压加热制得AlMgB14预反应粉，配合该工艺可进一步提高铝镁硼陶瓷的性能。本发明制备方法的工艺简单易行，所制备的铝镁硼陶瓷断裂韧性好、强度高、致密性
好、高温性能好。
附图说明
图1为实施例6中的陶瓷材料(10wt.％Ni3Al混合粉体)的XRD图；
图2为实施例6中的陶瓷材料(10wt.％Ni3Al混合粉体)的断面SEM图。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步介绍和说明。
实施例1-9
实施例1-9和对比例1-3中的铝镁硼陶瓷分别由下表1中所示的各物质及质量百分比制成。
表1实施例1-9和对比例1-3制备铝镁硼陶瓷的各组分及质量百分比
 AlMgB14预反应粉Ni3Al混合粉体实施例180％20％实施例282％18％实施例384％16％实施例486％14％实施例588％12％实施例690％10％实施例792％8％实施例894％6％实施例995％5％对比例175％25％对比例298％2％对比例3100％0
表1中，AlMgB14预反应粉由铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀后经高压加热制得；其中，铝粉的纯度为99.95％，粒径
为1-2μm；镁粉的纯度为99.99％，粒径为60-80μm；硼粉的纯度为99.5％，粒径为2-5μm。Ni3Al混合粉体由19.7wt.％的Al，9.2wt.％的Cr，0.62wt.％的Zr，0.62wt.％的Y，0.62wt.％的V，0.99wt.％的B，68.25wt.％的Ni混合后球磨制得。
上述实施例和对比例中的AlMgB14预反应粉、Ni3Al混合粉体、铝镁硼陶瓷按以下方法制备：
(1)AlMgB14预反应粉
将硼粉(用于制备AlMgB14预反应粉)置于1×10-3Pa的真空炉中，由室温以20℃/min的升温速度加热至1200℃，然后继续加热至1500℃并保温2h，接着停止加热，使硼粉随炉冷却至室温。在手套箱内及氩气保护的条件下，将铝粉、镁粉和硼粉按摩尔比Al：Mg：B＝1:1:14混合均匀得混合物。然后将混合物置于行星式球磨机(DQM-0.4L)中球磨10h，接着将混合物装入内径为20mm的圆柱形模具中，冷压成厚度为2mm的生坯，生坯的密度为理论密度的60％。
将生坯置于20MPa下以20℃/min的升温速度由室温加热至1200℃，然后以5℃/min的升温速度继续加热至1400℃并保温90min，随炉冷却后制得AlMgB14，将AlMgB14粉碎后得到AlMgB14预反应粉。备用。
(2)Ni3Al混合粉体
将19.7wt.％的Al，9.2wt.％的Cr，0.62wt.％的Zr，0.62wt.％的Y，0.62wt.％的V，0.99wt.％的B，68.25wt.％的Ni混合到一起，得混合粉体；然后将混合粉体置于球磨机中，在氩气的气氛下进行球磨50h，研磨球是直径为10mm的硬质合金球，球料比为10:1。球磨后制得Ni3Al混合粉体。备用。
(3)复合原料
实施例1-9和对比例1-2的复合原料
分别将AlMgB14预反应粉和Ni3Al混合粉体置于真空条件下干燥24h，然后向AlMgB14预反应粉中按比例加入Ni3Al混合粉体，混合均匀并过100目筛，分别制得实施例1-9和对比例1-2的复合原料。
对比例3的复合原料
将AlMgB14预反应粉置于真空条件下干燥24h，然后将AlMgB14预反应粉过100目筛，制得对比例3中的复合原料。
(4)球磨
常温下，将复合原料置于球磨机中，球磨机中的研磨球与复合原料的质量比为14-16:1，以300r/min的速度球磨10h。
(5)热压烧结
常压下，将经步骤2加工的复合原料装入模具中并将模具置于烧结炉中，以15℃/min的速度升温，升温至1200℃后加压至30MPa并持续加热至1700℃，保温1h并保持压力为30MPa，然后停止加热并卸压，烧结炉内经烧结的材料随烧结炉冷却至室温，得铝镁硼陶瓷。
分别测定实施例1-9及对比例1-2制备的铝镁硼陶瓷的相对密度、断裂韧性和强度，测试结果如下表2所示。
表2实施例1-9和对比例1-2制备的铝镁硼陶瓷的性能测试结果
 相对密度断裂韧性硬度实施例199.5％7.5MPa·m1/233.3GPa实施例299.6％7.1MPa·m1/233.1GPa实施例399.7％7.7MPa·m1/232.7GPa实施例499.8％8.2MPa·m1/231.3GPa
实施例599.6％7.9MPa·m1/234.2GPa实施例699.7％8.1MPa·m1/235.5GPa实施例799.4％6.9MPa·m1/234.8GPa实施例899.6％7.1MPa·m1/232.1GPa实施例999.7％6.8MPa·m1/231.8GPa对比例199.0％4.9MPa·m1/223.7GPa对比例299.2％3.8MPa·m1/227.2GPa对比例399.3％3.9MPa·m1/228.3GPa
表2中的相对密度是指相对于理论密度。
实施例6制备的具有高断裂韧性的镁铝硼陶瓷的XRD图如图1所示，SEM图如2所示。
在其它实施方案中，步骤3中的复合原料还可以用80-100目的筛进行筛分；生坯还可加热至1350-1450℃并保温90min；步骤4中，复合原料还可以在200-360r/min的速度下球磨6h-10h；步骤5中的热压烧结还可以是以10-30℃/min的速度升温至1450-1750℃并保温0.5-2h，然后再冷却。
实施例10-28
制备实施例10-28中的铝镁硼陶瓷所用的AlMgB14预反应粉与上述实施例6的相同，AlMgB14预反应粉与Ni3Al混合粉体的质量比为9:1，并且镁铝硼陶瓷的制备方法也与上述实施例6的制备方法相同。实施例10-28与上述实施例6相比，不同之处在于Ni3Al混合粉体的组成不同。具体如下表3所示。
表3实施例10-28中Ni3Al混合粉体的各组分及质量百分比


分别测定实施例10-28制备的铝镁硼陶瓷的相对密度、断裂韧性和强度，测试结果如下表4所示。
表4实施例10-28制备的铝镁硼陶瓷的性能测试结果
 相对密度断裂韧性硬度实施例699.7％7.5MPa·m1/235.5GPa实施例1099.1％5.0MPa·m1/220.8GPa实施例1199.5％7.1MPa·m1/233.4GPa实施例1299.7％7.7MPa·m1/233.9GPa实施例1399.3％4.4MPa·m1/221.0GPa实施例1499.4％4.1MPa·m1/220.7GPa实施例1599.4％7.4MPa·m1/232.7GPa实施例1699.6％7.9MPa·m1/233.1GPa实施例1799.5％4.3MPa·m1/220.9GPa实施例1899.2％4.5MPa·m1/220.2GPa实施例1999.7％7.6MPa·m1/234.2GPa实施例2099.6％6.7MPa·m1/235.0GPa实施例2199.3％4.2MPa·m1/221.5GPa实施例2299.4％7.1MPa·m1/234.8GPa实施例2399.5％6.8MPa·m1/234.1GPa
实施例2499.7％6.5MPa·m1/233.4GPa实施例2599.4％6.3MPa·m1/232.9GPa实施例2699.6％7.4MPa·m1/233.9GPa实施例2799.4％7.5MPa·m1/235.8GPa实施例2899.3％5.7MPa·m1/223.1GPa
对比例4
本对比例提供的一种镁铝硼陶瓷的制备方法，制备镁铝硼陶瓷的复合原料及制作方法与上述实施例6的基本相同，不同之处在于：在制备AlMgB14预反应粉时，硼粉不经高温处理(即不经过由室温加热至1500℃并保温2h，然后随炉冷却至室温)，而是直接将硼粉、铝粉和镁粉按比例混合，然后如实施例6所述置于球磨机中球磨10小时，再冷压成生坯，接着在高温高压下将生坯制成AlMgB14预反应粉。
然后，如实施例6的方法制得复合原料，并依次进行球磨和热压烧结操作，制得镁铝硼陶瓷。
对比例4制得的镁铝硼陶瓷的相对密度为99.1％，断裂韧性为9.8MPa·m1/2，硬度为19.7GPa。
以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。