一種噴嘴用高耐磨Si3N4基金剛石複合陶瓷材料及其製備方法與流程
2023-05-21 20:22:51 4
本發明涉及陶瓷材料領域，尤其涉及噴嘴用高耐磨Si3N4基金剛石複合陶瓷材料和該材料的製備方法。
背景技術：
噴嘴廣泛應用於工業領域，是表面清洗、強化和噴射切割等設備的關鍵部件之一，屬於易磨耗部件。目前，國內外常用的噴嘴材料主要為金屬、硬質合金等，此類材料的硬度低、耐磨性差，導致噴嘴使用壽命短，頻繁更換不僅增加成本，降低生產率，而且增大了工人的勞動強度。陶瓷材料因具有硬度高、耐磨損等優點，是噴嘴的理想材料之一，陶瓷噴嘴一直是我國噴嘴技術研發的重點。金剛石因具有極高的硬度，是製造噴嘴的理想材料，陶瓷基的金剛石複合材料可進一步改善陶瓷材料的硬度，增加材料的耐磨性，但金剛石複合材料燒結困難，高溫下易發生氧化與石墨化，是材料製備的一大技術難題。為降低或避免金剛石的氧化與石墨化，通常採用放電等離子燒結、高溫高壓燒結、化學氣相沉積的方法製備材料，對設備要求高，製備成本高且工藝複雜，不易控制。例如，Huang等採用放電等離子燒結方法製備Si3N4基的金剛石陶瓷材料，整個實驗過程中脈衝電流的脈寬為10ms，間隔時間為5ms，最大壓力達到100MPa，升溫速率為200℃/min，對減小或避免金剛石的石墨化起到了顯著作用(Shuigen Huang,Akhilesh Kumar Swarnakar,Kim Vanmeensel,Jef Vleugels.Diamond dispersed Si3N4composites obtained by pulsed electric current sintering.Journal of the European Ceramic Society,2013,33(6):1237–1247)。
技術實現要素：
本發明提出的一種噴嘴用高耐磨Si3N4基金剛石複合陶瓷材料，解決了現有技術中材料硬度低，耐磨性差，無法滿足噴嘴對材料的高耐磨性需求；同時，還提出了噴嘴用高耐磨Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的製備方法，解決了現有技術中陶瓷-金剛石複合材料的製備對設備要求高，製備成本高，工藝複雜的問題。
為了實現上述技術方案，本發明提供一種噴嘴用高耐磨Si3N4基金剛石複合陶瓷材料，按質量分數比包括95～90％Si3N4，5～10％Al2O3-Re2O，10～30％鍍M的金剛石,其中，Re為Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu中之任一或任意組合；M為Ni,Ti,Cu中之任一或任意組合；所述複合陶瓷材料相對密度高，硬度為20～40GPa。
還提出了一種噴嘴用高耐磨Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的製備方法，單位為質量分數比，
步驟1，Si3N4漿料的製備
以Si3N4粉體為原料，以Al2O3-Re2O3為燒結助劑，按質量分數比Si3N4:Al2O3-Re2O3＝95～90％:5～10％配料，以乙醇為溶劑，其中，以Si3N4球為球磨介質，球料質量比為2～5:1，在行星球磨機上混合8～12h，得到Si3N4漿料；
步驟2，Si3N4-金剛石漿料的製備
將質量分數10～30％鍍M的金剛石微粉添加進步驟1製備的Si3N4漿料中，經攪拌器按200～400r/min轉速攪拌混合漿料15～30min，得到混合均勻的Si3N4-金剛石漿料；
步驟3，Si3N4-金剛石複合材料的製備
將步驟2所得混合漿料經乾燥、過100目篩造粒，經30MPa壓力熱壓燒結,冷卻後得到高耐磨的Si3N4基金剛石複合材料；
得到的高耐磨Si3N4基的金剛石複合陶瓷材料，相對密度大於98％，硬度為20～40GPa。
根據權利要求2所述的Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的製備方法，其特徵在於：
步驟1中，Al2O3-Re2O3中，Re為Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu中的任一或任意組合。
根據權利要求2所述的Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的製備方法，其特徵在於：
步驟1中，Si3N4粉純度為95～100％，粒徑＜10μm。
根據權利要求2所述的Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的製備方法，其特徵在於：
步驟1中，Al2O3純度為＞99.99％，粒徑＜0.1μm；Re2O3純度99.9％；所述Al2O3-Re2O3的質量分數比為1～99％:99～1％。
根據權利要求2所述的Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的製備方法，其特徵在於：
步驟2中，M為Ni,Ti,Cu中的任一或任意組合。
根據權利要求2所述的Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的製備方法，其特徵在於：
步驟2中，所用鍍M金剛石微粉的粒徑為10～30μm。
根據權利要求2所述的Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的製備方法，其特徵在於：
步驟3中，熱壓燒結的升溫速率為10～15℃/min，燒結溫度1600～1750℃，升溫保溫時間30～60min，保護氣氛為N2或Ar。
獲得高耐磨Si3N4基的金剛石複合陶瓷材料，相對密度高，硬度為20～40GPa，製備成本低，工藝簡便且穩定。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為噴嘴用高耐磨Si3N4基金剛石複合陶瓷材料的XRD檢測圖。
圖2為噴嘴用高耐磨Si3N4基金剛石複合陶瓷材料表面顯微照片。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例一：
(1)以Si3N4粉體為基體原料，以Al2O3-Y2O3為燒結助劑，按質量分數比Si3N4:Al2O3-Y2O3＝90％:10％配料，其中Al2O3-Y2O3的質量分數比為4％:5％，以乙醇為溶劑，以Si3N4球為球磨介質，球料比為3:1，在行星球磨機上混合8h，得到Si3N4漿料。
(2)將質量分數30％的金剛石微粉(鍍Ti，粒徑10μm)添加進Si3N4漿料，經攪拌器以250r/min轉速攪拌混合漿料20min後，得到混合均勻的Si3N4-金剛石漿料。
(3)將Si3N4-金剛石混合漿料經乾燥、造粒(過100目篩)，經熱壓燒結，壓力30MPa，升溫速率為10℃/min，燒結溫度1600℃，保溫時間為45min，保護氣氛為N2，冷卻後得到高耐磨的氮化矽/金剛石複合材料。
製備得到的高耐磨Si3N4基的金剛石複合陶瓷材料，相對密度為98％，硬度為34GPa。
實施例二：
(1)以Si3N4粉體為基體原料，以Al2O3-Lu2O3為燒結助劑，按質量分數比Si3N4:Al2O3-Y2O3＝95％:5％配料，其中Al2O3-Lu2O3的質量分數比為3％:2％，以乙醇為溶劑，以Si3N4球為球磨介質，球料比為3:1，在行星球磨機上混合10h，得到Si3N4漿料。
(2)將質量分數20％的金剛石微粉(鍍Cu，粒徑20μm)添加進Si3N4漿料，經攪拌器以300r/min轉速攪拌混合漿料25min後，得到混合均勻的Si3N4-金剛石漿料。
(3)將Si3N4-金剛石混合漿料經乾燥、造粒(過100目篩)，經熱壓燒結，壓力30MPa，升溫速率為15℃/min，燒結溫度1650℃，保溫時間為50min，保護氣氛為Ar，冷卻後得到高耐磨的氮化矽/金剛石複合材料。
製備得到的高耐磨Si3N4基的金剛石複合陶瓷材料，相對密度為99％，硬度為27GPa。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。