液相烧结复合碳化物陶瓷材料及其陶瓷制品的制造方法

摘要

液相烧结复合碳化物陶瓷材料及其陶瓷制品的制造方法，它涉及一种复合碳化物陶瓷材料及其陶瓷制品的制造工艺。本发明由下列原料按重量百分比混合而成：碳化硅粉末占2～92、碳化硼粉末占2～92、Al－Y系添加剂占5～25、CeO2或La2O3占0.5～3.0。本发明按常规方法将复合碳化物陶瓷材料进行混料、制粉和成形；然后，将粉末压坯置于真空烧结炉中，先抽真空，再用氩气冲洗三次，升温烧结，升温速度为5～10℃/min，升温到1700～2000℃后，保温150～500分钟，烧结在真空或流动的氩气中进行。本发明综合技术性能指标与无压烧结碳化硅或碳化硼相比提高了30～65％，具有生产费用低，生产效率高，能生产复杂形状的制品，毛坯尺寸精度提高的优点。

说明书

技术领域：本发明涉及一种复合碳化物陶瓷材料及其陶瓷制品的制造工艺。

背景技术：目前常用的碳化物陶瓷材料有两种：碳化硅陶瓷材料和碳化硼陶瓷材料。而其制品的制造常采用热压烧结和无压烧结方法。上述两种陶瓷材料在使用和生产过程中存在如下问题：1、碳化硅陶瓷耐磨性能差，碳化硼陶瓷制造成本较高，难于大量生产；2、材料的断裂韧性差，强度低，性能选择性差，难于作到材料的性能指标与材料的经济性的最佳状态。而制造上述两种产品的方法存在的主要问题是：1、热压烧结生产费用高，生产效率低，且只能制作形状简单的制品，不能满足大批量低成本生产的需求。2、无压烧结复合碳化物难于得到高密度的烧结体，技术性能指标低，不能满足市场对高质量制品的需求。

发明内容：本发明的目的在于提供一种液相烧结复合碳化物陶瓷材料及其陶瓷制品的制造方法，它具有原料配比合理、生产费用低，生产效率高，能生产复杂形状的制品，毛坯尺寸精度和无压烧结技术性能指标高的特点。本发明的液相烧结复合碳化物陶瓷材料是由下列原料按重量百分比混合而成：碳化硅粉末占2～92、碳化硼粉末占2～92、Al-Y系添加剂占5～25、CeO₂或La₂O₃占0.5～3.0；所述Al-Y系添加剂中，Al与Y的比例为2.0～5.5∶5.5～2.0，Al-Y系添加剂为AlN或Al₂O₃粉末和Y₂O₃粉末，它们的平均粒径为0.6～3.0微米，纯度为94～99.99％；所述的碳化硅和碳化硼粉末原料的纯度为94～99％，平均粒径为0.6～3.5微米。液相烧结复合碳化物陶瓷制品的制造方法是：首先，按常规方法将复合碳化物陶瓷材料进行混料、制粉和成形；然后，将粉末压坯置于真空烧结炉中，先抽真空，再用氩气冲洗三次，升温烧结，升温速度为5～10℃/min，升温到1700～2000℃后，保温150～500分钟，烧结在真空或流动的氩气中进行，氩气的流量为5～15L/min。本发明与现有技术相比具有如下优点：1、它与热压烧结碳化硅或碳化硼陶瓷相比降低生产成本15～67％，与无压烧结碳化硅或碳化硼陶瓷相比降低生产成本20～50％；2、它可以制造诸如喷沙嘴、密封环、轴承套等形状复杂的复合碳化物陶瓷制品；3、比热压烧结碳化硅或碳化硼制造方法提高生产效率25～160％；4、提高了烧结制品的尺寸精度，降低了后续精加工的费用；5、综合技术性能指标与无压烧结碳化硅或碳化硼相比提高了30～65％，扩大了产品应用范围，特别是可根据材料所要求的使用寿命与期望的价格，选定适当的化学成分进行制造，从而获得最佳的经济效益。

具体实施方式一：本实施方式由下列原料按重量百分比混合而成：碳化硅粉末占2～92、碳化硼粉末占2～92、Al-Y系添加剂占5～25、CeO₂或La₂O₃占0.5～3.0；所述Al-Y系添加剂中，Al与Y的比例为2.0～5.5∶5.5～2.0，Al-Y系添加剂为AlN或Al₂O₃粉末和Y₂O₃粉末，它们的平均粒径为0.6～3.0微米，纯度为94～99.99％，所述的碳化硅和碳化硼粉末原料的纯度为94～99％，平均粒径为0.6～3.5微米。液相烧结复合碳化物陶瓷制品的制造方法为：首先，按常规方法将碳化硅和碳化硼陶瓷材料进行混料、制粉和成形：然后，将压坯置于真空烧结炉中，先抽真空，再用氩气冲洗三次，升温烧结，升温速度为5～15℃/min。升温到1700～2000℃后，保温200～500分钟。烧结是在真空或流动的氩气中进行，氩气的流量为5～15L/min。混料、制粉和成形的步骤为：

a.将碳化硅和碳化硼、Al-Y系添加剂、CeO₂或La₂O₃的陶瓷材料粉末置于球磨机的尼龙罐中进行混合，加入常规量的酒精作为混合助剂，球磨机用的料球为碳化硼陶瓷球；

b.球磨混合6～24小时后，在70～90℃的流动氮气中烘干，破碎，加入常规量的浓度为1～10％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂；

c.混合2～8小时后进行干燥破碎；

d.过60～120目筛；

e.然后进行冷等静压成形，压力为200～350MPa。

具体实施方式二：本实施方式由碳化硅粉末原料和碳化硼粉末原料、Al-Y系添加剂和任选一种的CeO₂或La₂O₃组成，各原料重量百分比分别为：碳化硅粉末62～92、碳化硼粉末2～17、Al₂O₃和Y₂O₃粉末5～25、CeO₂或La₂O₃占1.1～2.0。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，各原料质量百分比分别为：碳化硅粉末60～76.9、碳化硼粉末16～31、Al-Y系添加剂5～12.5、CeO₂或La₂O₃2.1～3.0。液相烧结复合碳化物陶瓷制品的制造方法中混料、制粉及成形的步骤为：

a.将碳化硅和碳化硼、Al-Y系添加剂、CeO₂或La₂O₃的陶瓷材料粉末置于聚酰亚胺罐中进行混合，加入常规量的丙酮作为混合助剂；

b.球磨混合6～24小时后，在70～90℃的流动氩气中烘干，破碎，加入常规量的浓度为1～10％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂；

c.混合2～8小时后进行稀释；

d.然后进行喷雾造粒；

e.在钢模中冷压成形，压力为100～250MPa。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二、三不同的是，各原料质量百分比分别为：碳化硅粉末35～44、碳化硼粉末50～55、AlN和Y₂O₃5～10、Ce₂O₃或La₂O₃0.5～1.0。

具体实施方式五：按以下重量百分比取原料粉末：平均粒径为0.71微米，纯度为97.4％的碳化硅粉末72.2；平均粒径为0.92微米，纯度为95.4％的碳化硼粉末22.3；平均粒径1.7微米、纯度为98.0％的Al₂O₃0.8，平均粒径2.7微米、纯度为95.5％的AlN粉末1.7；平均粒径1.2微米、纯度为99.7％的Y₂O₃2.5、Le₂O₃0.5。进行混料及制粉，钢模压形，压力为220MPa，进行烧结，升温速度为10℃/min，升温至1920℃后，保温270min。得到烧结体的主要性能指标是：密度3.05g/cm³，硬度HV2830，四点抗弯强度680MPa，断裂韧性K_IC6.9MPam^1/2。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，它按以下重量百分比取原料粉末：平均粒径为3.5微米、纯度为94.2％的碳化硅粉末原料70.7和碳化硼粉末23.7，平均粒径2.5微米、纯度为99.0％的CeO₂0.5；平均粒径0.6微米、纯度为95.8％的Al₂O₃3.3；平均粒径0.7微米、纯度为98.0％的Y₂O₃1.8。进行混料及制粉，冷等静压成形，压力为150MPa，进行烧结，升温速度为5℃/min，升温至1970℃后，保温430min。得到烧结体的主要性能指标是：密度2.85g/cm³，硬度HV3230，四点抗弯强度525MPa，断裂韧性K_IC7.2MPam^1/2。