一种可电火花加工和机械加工的Si3N4-ZrSi2-BN复相陶瓷材料及制备方法

摘要

本发明属于非氧化物基陶瓷材料领域，公开了一种可电火花加工和机械加工的Si3N4?ZrSi2?BN复相陶瓷材料及其制备方法。制备按照以下步骤：以Si3N4粉体、ZrB2粉和硼粉为原料，以MgO和Re2O3为助剂，混合后干燥，得到含助剂的Si3N4?ZrB2?B混合粉体；将混合粉体放入模具中，在氮气气氛中按照两步保温法进行反应热压烧结，得到产品。该复相陶瓷材料的相对密度大于95％，弯曲强度50?1000MPa，断裂韧性2?10MPa·m1/2，硬度1?16GPa，由于ZrSi2具有优异导电性能，BN具有良好的机械加工性能，因此该方法制备的复相陶瓷材料同时具备电火花加工性能和机械加工性能。

说明书

技术领域

本发明属于非氧化物基陶瓷材料领域，特别涉及一种可电火花加工和机械 加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料及制备方法。

背景技术

Si₃N₄陶瓷具有高强度、高韧性、高导热等优异性能，广泛应用于切削刀具、 陶瓷散热基板、机械零部件等领域。由于本身固有的高硬度和高脆性，其机械 加工性能较差。BN陶瓷具有类似石墨的层状结构，硬度低，可以进行车、铣、 刨、钻等各种车加工。大量的文献报道表明，将BN引入Si₃N₄陶瓷中，可以显 著提高其机械加工性能。

Si₃N₄陶瓷为非导电陶瓷，通过加入导电相(TiN、TiC等)，使其成为良好 的导体，可实现电火花加工，改善其复杂形状的加工能力。ZrSi₂的电导率为132 ×10⁴·Ω^-1·m^-1，具有优异的导电性能，然而到目前为止，还未见将ZrSi₂引入 Si₃N₄陶瓷中，实现其电火花加工性能的报道。同时，也还未出现在Si₃N₄陶瓷 中同时加入ZrSi₂相和BN相，使其同时具备电火花加工和机械加工性能的报道。 本发明拟通过反应热压烧结制备Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷，使其同时具备电火花 加工和机械加工能力，以期进一步改善其复杂形状的加工能力。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种可电火 花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述制备方法制备得到的可电火花加 工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料的制备方法， 包括以下操作步骤：

(1)以Si₃N₄粉体、ZrB₂粉和硼粉为原料，以MgO和Re₂O₃为助剂，将原 料和助剂混合后干燥，得到含MgO-Re₂O₃助剂的Si₃N₄-ZrB₂-B混合粉体；其中 Re₂O₃中的Re为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、 Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种；

(2)将步骤(1)所得含MgO-Re₂O₃助剂的Si₃N₄-ZrB₂-B混合粉体放入模 具中，在氮气气氛中按照两步保温法进行反应热压烧结，得到可电火花加工和 机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料。

步骤(1)所述Si₃N₄粉体的纯度>98％，粒径<2μm；所述ZrB₂粉的纯度>98％， 粒径<2μm；所述硼粉的纯度>96％，粒径<1μm。

步骤(1)所述原料和助剂的质量分数分别为90-99％和1-10％，优选95％和 5％；所述原料中的Si₃N₄粉体、ZrB₂粉和硼粉的质量分数分别为48.9-93.8％、 5.8-48.0％和0.4-3.1％，优选为70.4％、27.8％和1.8％；所述助剂中的MgO和Re₂O₃的质量分数分别为1-99％和1-99％，优选为50％和50％。

步骤(1)所述混合具体按照以下步骤：以乙醇为溶剂，以Si₃N₄陶瓷研磨球 为球磨介质，在辊式球磨机上混合4～48h，优选为24h。

步骤(2)所述两步保温法包括以下步骤：

第一步：以5～50℃/min的升温速率将温度升至1500～1700℃保温1～4h，获 得Si₃N₄-ZrSi₂-BN复合粉体；

第二步：以5～20℃/min的升温速率将温度升至1600～1900℃，并在20～ 30MPa的压力下热压烧结1～4h，即得可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN 复相陶瓷材料。

优选地，步骤(2)所述两步保温法包括以下步骤：

第一步：以20℃/min的升温速率将温度升至1600℃保温2h，获得 Si₃N₄-ZrSi₂-BN复合粉体；

第二步：以10℃/min的升温速率将温度升至1700℃，并在30MPa的压力下热 压烧结1h，即得可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料。

一种由上述制备方法制备得到的可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN 复相陶瓷材料，该Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料的相对密度大于95％，弯曲强度 50-1000MPa，断裂韧性2-10MPa·m^1/2，硬度1-16GPa。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明制备方法，创造性地使用了Si₃N₄、ZrB₂和硼粉(B)为原料， 通过反应烧结生成了导电ZrSi₂相和层状BN相，使Si₃N₄基陶瓷同时具备了电 火花加工能力和机械加工能力。

(2)本发明所用的原料组分可调；本发明通过结合两步保温法的反应热压 烧结，可让ZrSi₂和BN相更均匀分布在Si₃N₄基体中，更有利于改善Si₃N₄的加 工性能。该制备工艺简单，容易实现，在Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷的制备上具备 实际的应用价值。

(3)本发明得到的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料，陶瓷材料显微结构均匀， 粒径小，性能优良，且价格便宜，通过反应热压烧结在1600～1900℃之间制备 出相对密度大于95％，弯曲强度50-1000MPa，断裂韧性2-10MPa·m^1/2，硬度 1-16GPa，同时具备电火花加工性能和机械加工性能。

附图说明

图1为Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷的XRD图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。

实施例1

Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷的制备，具体方法如下：

(1)以Si₃N₄粉(纯度为96％，粒径<1μm)、ZrB₂(纯度为99％，粒径为 40nm)和硼(纯度为99％，粒径为<1μm)为原料，加入MgO-Y₂O₃助剂进行 配料，其中原料和助剂的质量分数比为95％和5％，Si₃N₄、ZrB₂和B的质量分 数比为70.4％、27.8％和1.8％，MgO和Y₂O₃的质量分数比为50％和50％，以乙 醇为溶剂，以Si₃N₄球为球磨介质，在辊式球磨机上混合24h，经混料、干燥后， 得到含MgO-Y₂O₃助剂的Si₃N₄-ZrB₂-B混合粉体。

(2)将含MgO-Y₂O₃助剂的Si₃N₄-ZrB₂-B混合粉体放入内壁表面涂覆BN的石 墨模具中，按照两步保温法进行反应热压烧结，所述两步保温法包括：将含 MgO-Y₂O₃助剂的Si₃N₄-ZrB₂-B混合粉体以20℃/min的升温速率将温度升至 1600℃保温2h，获得Si₃N₄-ZrSi₂-BN复合粉体；然后以10℃/min的升温速度将温 度升到1700℃，并在30MPa的压力下热压烧结1h，即得可电火花加工和机械加工 的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料。

本实施例制备得到的陶瓷材料的相对密度达到99％。其XRD图谱如图1所 示。材料的硬度为4GPa，断裂韧性为4MPa·m^1/2，弯曲强度为300MPa。

实施例2

(1)以Si₃N₄粉(纯度为96％，粒径<1μm)、ZrB₂(纯度为99％，粒径为 40nm)和硼(纯度为99％，粒径为<1μm)为原料，加入MgO-Y₂O₃助剂进行 配料，其中原料和助剂的质量分数比为90％和10％，Si₃N₄、ZrB₂和B的质量分 数比为70.4％、27.8％和1.8％，MgO和Y₂O₃的质量分数比为50％和50％，以乙 醇为溶剂，以Si₃N₄球为球磨介质，在辊式球磨机上混合24h，经混料、干燥后， 得到含MgO-Y₂O₃助剂的Si₃N₄-ZrB₂-B混合粉体。

(2)将含MgO-Y₂O₃助剂的Si₃N₄-ZrB₂-B混合粉体放入内壁表面涂覆BN的石 墨模具中，按照两步保温法进行反应热压烧结，所述两步保温法包括：将含 MgO-Y₂O₃助剂的Si₃N₄-ZrB₂-B混合粉体以20℃/min的升温速率将温度升至 1600℃保温2h，获得Si₃N₄-ZrSi₂-BN复合粉体；然后以10℃/min的升温速度将温 度升到1650℃，并在30MPa的压力下热压烧结1h，即得可电火花加工和机械加工 的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料。

本实施例制备所得陶瓷材料的相对密度为99％。材料的硬度为3.5GPa，断 裂韧性为4MPa·m^1/2，弯曲强度为280MPa。

实施例3

原料和助剂的质量分数比为95％和5％，Si₃N₄、ZrB₂和B的质量分数比为 83％、16％和1％，MgO和Y₂O₃的质量分数比为50％和50％，按照实施例1方 法制备Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷，其中，配料辊式球磨机上混合24h；其中，两 步保温法具体为：第一步，升温速率为20℃/min，温度升至1600℃，保温2h； 第二步，升温速率为10℃/min，充入氮气并升温至1750℃，同时施加30MPa的 压力，保温保压1h，得到可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷 材料。制备所得陶瓷材料的相对密度为98％，材料的硬度为8GPa，断裂韧性为 5MPa·m^1/2，弯曲强度为450MPa。

实施例4

原料和助剂的质量分数比为95％和5％，Si₃N₄、ZrB₂和B的质量分数比为 57.5％、40％和2.5％，MgO和Y₂O₃的质量分数比为50％和50％，按照实施例1 方法制备Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷，其中，配料辊式球磨机上混合24h；其中， 两步保温法具体为：第一步，升温速率为20℃/min，温度升至1600℃，保温2h； 第二步，升温速率为10℃/min，充入氮气并升温至1800℃，同时施加30MPa的 压力，保温保压1h，得到可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷 材料。制备所得陶瓷材料的相对密度为98％，材料的硬度为2GPa，断裂韧性为 3MPa·m^1/2，弯曲强度为150MPa。

实施例5

原料和助剂的质量分数比为95％和5％，Si₃N₄、ZrB₂和B的质量分数比为83％、 16％和1％，MgO和Y₂O₃的质量分数比为50％和50％，按照实施例1方法制备 Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷，其中，配料辊式球磨机上混合24h；其中，两步保温法 具体为：第一步，升温速率为20℃/min，温度升至1700℃，保温2h；第二步，升 温速率为10℃/min，充入氮气并升温至1800℃，同时施加30MPa的压力，保温保 压1h，得到可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料。制备所得 陶瓷材料的相对密度为99％，材料的硬度为10GPa，断裂韧性为6MPa·m^1/2，弯 曲强度为550MPa。

实施例6

原料和助剂的质量分数比为95％和5％，Si₃N₄、ZrB₂和B的质量分数比为 70.4％、27.8％和1.8％，MgO和Lu₂O₃的质量分数比为50％和50％，按照实施例1 方法制备Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷，其中，配料辊式球磨机上混合24h；其中，两 步保温法具体为：第一步，升温速率为20℃/min，温度升至1600℃，保温2h；第 二步，升温速率为10℃/min，充入氮气并升温至1700℃，同时施加30MPa的压力， 保温保压1h，得到可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料。制 备所得陶瓷材料的相对密度为99％，材料的硬度为4GPa，断裂韧性为2MPa·m^1/2， 弯曲强度为250MPa。

实施例7

原料和助剂的质量分数比为95％和5％，Si₃N₄、ZrB₂和B的质量分数比为 70.4％、27.8％和1.8％，MgO和Eu₂O₃的质量分数比为50％和50％，按照实施例1 方法制备Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷，其中，配料辊式球磨机上混合24h；其中，两 步保温法具体为：第一步，升温速率为20℃/min，温度升至1600℃，保温2h；第 二步，升温速率为10℃/min，充入氮气并升温至1700℃，同时施加30MPa的压力， 保温保压1h，得到可电火花加工和机械加工的Si₃N₄-ZrSi₂-BN复相陶瓷材料。制 备所得陶瓷材料的相对密度为98％，材料的硬度为3GPa，断裂韧性为3MPa·m^1/2， 弯曲强度为350MPa。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。