本發(fā)明涉及陶瓷材料領(lǐng)域，具體是一種高性能碳化鎢陶瓷材料。
背景技術(shù)：
碳化鎢，分子式為Si3N4，相對(duì)分子質(zhì)量140.28；六方晶系，晶體呈六面體；密度3.22，硬度9-9.5，努氏硬度約為2200，顯微硬度為32630MPa；抗彎強(qiáng)度為750-800MPa，斷裂韌性7-8MPa·m1/2；彈性模量為28420-46060MPa；不溶于水，溶于氫氟酸；熔點(diǎn)1900℃(加壓下)，通常在常壓下1900℃分解，在空氣中開始氧化的溫度1300-1400℃；比熱容為0.71J/(g·K)，生成熱為-751.57kJ/mol；熱導(dǎo)率為16.7W/(m·K)；線膨脹系數(shù)為2.75×10-6/℃(20-1000℃)；比體積電阻，20℃時(shí)為1.4×105Ω·m，500℃時(shí)為4×108Ω·m；1285℃時(shí)與二氮化二鈣反應(yīng)生成二氮硅化鈣，600℃時(shí)使過渡金屬還原，放出氮氧化物。
碳化鎢陶瓷材料因其在強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕等性能上的卓越表現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械工業(yè)、電子電力、裝甲、化工等領(lǐng)域。在以上所述的多種性能中，碳化鎢的硬度較其余幾種性能還存在不足，因此，如何提高碳化鎢的硬度，使其各方面性能達(dá)到均衡，從而更加適用于各個(gè)領(lǐng)域，是值得研究的一個(gè)課題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高硬度的高性能碳化鎢陶瓷材料。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
一種高性能碳化鎢陶瓷材料，按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下原料組成：碳化鎢84-90％、微米碳化硼1.5-2.8％、金紅石4.5-6.3％、氧化釔0.8-1.3％、納米氧化硅3.2-5.6％。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下原料組成：碳化鎢86.6-88.2％、微米碳化硼1.9-2.3％、金紅石5.1-5.7％、氧化釔1.0-1.2％、納米氧化硅3.8-4.2％。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下原料組成：碳化鎢87.3％、微米碳化硼2.2％、金紅石5.4％、氧化釔1.1％、納米氧化硅4.0％。
所述的高性能碳化鎢陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取碳化鎢和微米碳化硼，混合，倒入其質(zhì)量之和的1.2-1.4倍量的無水乙醇中，經(jīng)功率為280-300W、頻率為34-36kHz的超聲波分散40-45min，得到懸浮液一；
(2)按比例往懸浮液一中加入氧化釔和納米氧化硅，繼續(xù)以功率為220-240W、頻率為28-30kHz的超聲波分散5-8min，得到懸浮液二；
(3)按比例往懸浮液二中加入金紅石，繼續(xù)以功率為380-420W、頻率為25-26kHz的超聲波分散25-30min，得到懸浮液三；
(4)將懸浮液三和其質(zhì)量的14-16倍量的氧化鋯球裝入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨10-12h，分離出懸浮液三，置于85-95℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥4-6h，過100-120目篩，得到混合原料；
(5)將混合原料置于石墨模具中進(jìn)行氮?dú)鈿夥諢Y(jié)，燒結(jié)壓力為10-14MPa，燒結(jié)溫度為1460-1500℃，燒結(jié)時(shí)間為40-50min，得到所述的高性能碳化鎢陶瓷材料。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述的步驟(1)中，無水乙醇的用量為碳化鎢和微米碳化硼的質(zhì)量之和的1.3倍量。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述的步驟(1)中，經(jīng)功率為290W、頻率為35kHz的超聲波分散45min；所述的步驟(2)中，繼續(xù)以功率為230W、頻率為29kHz的超聲波分散7min；所述的步驟(3)中，繼續(xù)以功率為400W、頻率為26kHz的超聲波分散28min。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述的步驟(4)中，氧化鋯球的用量為懸浮液三的質(zhì)量的15倍量，球磨時(shí)間為11h，干燥時(shí)間為5h。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述的步驟(5)中，燒結(jié)壓力為12MPa，燒結(jié)溫度為1480℃，燒結(jié)時(shí)間為45min。
所述的高性能碳化鎢陶瓷材料在制備耐磨陶瓷方面的應(yīng)用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明以碳化鎢為主體，通過摻入金紅石、氧化釔、納米氧化硅及其他組分，制得一種高性能的碳化鎢陶瓷材料，該碳化鎢陶瓷材料的努氏硬度為2650-2950kgf·mm-2，抗彎強(qiáng)度為880-935MPa，斷裂韌性為7.9-8.5MPa·m1/2，彈性模量為39780-47340MPa。此外，本發(fā)明碳化鎢陶瓷材料的燒結(jié)溫度為1460-1500℃，該溫度顯著低于現(xiàn)有的純碳化鎢的燒結(jié)溫度，因此，本發(fā)明節(jié)省了能源，有利于材料的廣泛應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
實(shí)施例1
本發(fā)明實(shí)施例中，一種高性能碳化鎢陶瓷材料，按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下原料組成：碳化鎢90％、微米碳化硼1.5％、金紅石4.5％、氧化釔0.8％、納米氧化硅3.2％。
所述的高性能碳化鎢陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取碳化鎢和微米碳化硼，混合，倒入其質(zhì)量之和的1.2倍量的無水乙醇中，經(jīng)功率為280W、頻率為34kHz的超聲波分散45min，得到懸浮液一；
(2)按比例往懸浮液一中加入氧化釔和納米氧化硅，繼續(xù)以功率為220W、頻率為28kHz的超聲波分散8min，得到懸浮液二；
(3)按比例往懸浮液二中加入金紅石，繼續(xù)以功率為380W、頻率為25kHz的超聲波分散30min，得到懸浮液三；
(4)將懸浮液三和其質(zhì)量的14倍量的氧化鋯球裝入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨10h，分離出懸浮液三，置于85℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥6h，過100目篩，得到混合原料；
(5)將混合原料置于石墨模具中進(jìn)行氮?dú)鈿夥諢Y(jié)，燒結(jié)壓力為10MPa，燒結(jié)溫度為1500℃，燒結(jié)時(shí)間為40min，得到所述的高性能碳化鎢陶瓷材料。
實(shí)施例2
本發(fā)明實(shí)施例中，一種高性能碳化鎢陶瓷材料，按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下原料組成：碳化鎢84％、微米碳化硼2.8％、金紅石6.3％、氧化釔1.3％、納米氧化硅5.6％。
所述的高性能碳化鎢陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取碳化鎢和微米碳化硼，混合，倒入其質(zhì)量之和的1.4倍量的無水乙醇中，經(jīng)功率為300W、頻率為36kHz的超聲波分散40min，得到懸浮液一；
(2)按比例往懸浮液一中加入氧化釔和納米氧化硅，繼續(xù)以功率為240W、頻率為30kHz的超聲波分散5min，得到懸浮液二；
(3)按比例往懸浮液二中加入金紅石，繼續(xù)以功率為420W、頻率為26kHz的超聲波分散25min，得到懸浮液三；
(4)將懸浮液三和其質(zhì)量的16倍量的氧化鋯球裝入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨12h，分離出懸浮液三，置于95℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥4h，過120目篩，得到混合原料；
(5)將混合原料置于石墨模具中進(jìn)行氮?dú)鈿夥諢Y(jié)，燒結(jié)壓力為14MPa，燒結(jié)溫度為1460℃，燒結(jié)時(shí)間為50min，得到所述的高性能碳化鎢陶瓷材料。
實(shí)施例3
本發(fā)明實(shí)施例中，一種高性能碳化鎢陶瓷材料，按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下原料組成：碳化鎢88.2％、微米碳化硼1.9％、金紅石5.1％、氧化釔1.0％、納米氧化硅3.8％。
所述的高性能碳化鎢陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取碳化鎢和微米碳化硼，混合，倒入其質(zhì)量之和的1.3倍量的無水乙醇中，經(jīng)功率為290W、頻率為35kHz的超聲波分散45min，得到懸浮液一；
(2)按比例往懸浮液一中加入氧化釔和納米氧化硅，繼續(xù)以功率為230W、頻率為29kHz的超聲波分散7min，得到懸浮液二；
(3)按比例往懸浮液二中加入金紅石，繼續(xù)以功率為400W、頻率為26kHz的超聲波分散28min，得到懸浮液三；
(4)將懸浮液三和其質(zhì)量的15倍量的氧化鋯球裝入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨11h，分離出懸浮液三，置于90℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥5h，過120目篩，得到混合原料；
(5)將混合原料置于石墨模具中進(jìn)行氮?dú)鈿夥諢Y(jié)，燒結(jié)壓力為12MPa，燒結(jié)溫度為1490℃，燒結(jié)時(shí)間為50min，得到所述的高性能碳化鎢陶瓷材料。
實(shí)施例4
本發(fā)明實(shí)施例中，一種高性能碳化鎢陶瓷材料，按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下原料組成：碳化鎢86.6％、微米碳化硼2.3％、金紅石5.7％、氧化釔1.2％、納米氧化硅4.2％。
所述的高性能碳化鎢陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取碳化鎢和微米碳化硼，混合，倒入其質(zhì)量之和的1.3倍量的無水乙醇中，經(jīng)功率為290W、頻率為35kHz的超聲波分散45min，得到懸浮液一；
(2)按比例往懸浮液一中加入氧化釔和納米氧化硅，繼續(xù)以功率為230W、頻率為29kHz的超聲波分散7min，得到懸浮液二；
(3)按比例往懸浮液二中加入金紅石，繼續(xù)以功率為400W、頻率為26kHz的超聲波分散28min，得到懸浮液三；
(4)將懸浮液三和其質(zhì)量的15倍量的氧化鋯球裝入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨11h，分離出懸浮液三，置于90℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥5h，過120目篩，得到混合原料；
(5)將混合原料置于石墨模具中進(jìn)行氮?dú)鈿夥諢Y(jié)，燒結(jié)壓力為12MPa，燒結(jié)溫度為1470℃，燒結(jié)時(shí)間為40min，得到所述的高性能碳化鎢陶瓷材料。
實(shí)施例5
本發(fā)明實(shí)施例中，一種高性能碳化鎢陶瓷材料，按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下原料組成：碳化鎢87.3％、微米碳化硼2.2％、金紅石5.4％、氧化釔1.1％、納米氧化硅4.0％。
所述的高性能碳化鎢陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)按比例稱取碳化鎢和微米碳化硼，混合，倒入其質(zhì)量之和的1.3倍量的無水乙醇中，經(jīng)功率為290W、頻率為35kHz的超聲波分散45min，得到懸浮液一；
(2)按比例往懸浮液一中加入氧化釔和納米氧化硅，繼續(xù)以功率為230W、頻率為29kHz的超聲波分散7min，得到懸浮液二；
(3)按比例往懸浮液二中加入金紅石，繼續(xù)以功率為400W、頻率為26kHz的超聲波分散28min，得到懸浮液三；
(4)將懸浮液三和其質(zhì)量的15倍量的氧化鋯球裝入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨11h，分離出懸浮液三，置于90℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥5h，過120目篩，得到混合原料；
(5)將混合原料置于石墨模具中進(jìn)行氮?dú)鈿夥諢Y(jié)，燒結(jié)壓力為12MPa，燒結(jié)溫度為1480℃，燒結(jié)時(shí)間為45min，得到所述的高性能碳化鎢陶瓷材料。
對(duì)比例1
在實(shí)施例5的基礎(chǔ)上，刪除金紅石組分，其余與實(shí)施例5完全相同。
對(duì)比例2
在實(shí)施例5的基礎(chǔ)上，刪除氧化釔組分，其余與實(shí)施例5完全相同。
對(duì)比例3
在實(shí)施例5的基礎(chǔ)上，刪除納米氧化硅組分，其余與實(shí)施例5完全相同。
對(duì)比例4
在實(shí)施例5的基礎(chǔ)上，刪除金紅石、氧化釔、納米氧化硅組分，其余與實(shí)施例5完全相同。
對(duì)上述實(shí)施例1-5以及對(duì)比例1-4制得的碳化鎢陶瓷材料進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)得結(jié)果列于表1。由表1可以看出：本發(fā)明碳化鎢陶瓷材料的努氏硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、彈性模量均顯著優(yōu)于對(duì)比例，本發(fā)明碳化鎢陶瓷材料的努氏硬度為2650-2950kgf·mm-2，抗彎強(qiáng)度為880-935MPa，斷裂韌性為7.9-8.5MPa·m1/2，彈性模量為39780-47340MPa；對(duì)比實(shí)施例5和對(duì)比例1-4，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明碳化鎢陶瓷材料中的金紅石、氧化釔、納米氧化硅組分對(duì)其高性能的獲得起著關(guān)鍵性作用。
表1各例制得的碳化鎢陶瓷材料的性能比較
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。