CN105622107B - 一种表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法 - Google Patents
一种表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105622107B CN105622107B CN201510992624.0A CN201510992624A CN105622107B CN 105622107 B CN105622107 B CN 105622107B CN 201510992624 A CN201510992624 A CN 201510992624A CN 105622107 B CN105622107 B CN 105622107B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- mass fraction
- aln
- performance
- ball
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
- C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
- C04B2235/3227—Lanthanum oxide or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
- C04B2235/3229—Cerium oxides or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
- C04B2235/74—Physical characteristics
- C04B2235/77—Density
- C04B2235/775—Products showing a density-gradient
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
本发明是一种表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法。本发明以Si3N4粉为基体原料,心部以β‑Si3N4晶种和Al2O3‑Re2O3为烧结助剂,表层以AlN和Al2O3‑Re2O3为烧结助剂,Si3N4、β‑Si3N4晶种和Al2O3‑Re2O3及Si3N4、AlN和Al2O3‑Re2O3分别按质量分数比经混料、干燥后得到心部为Si3N4‑β‑Si3N4晶种‑Al2O3‑Re2O3、表层为Si3N4‑AlN‑Al2O3‑Re2O3的混合粉体;将混合粉体通过成型设备获得梯度球坯体,梯度球坯体通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。本发明所制备的材料的相对密度高于96%,心部硬度为10~20GPa,断裂韧性为6~14MPa·m1/2;外部硬度为15~25GPa,断裂韧性为3~10MPa·m1/2;本发明制备的材料具有更优异的力学性能,具有表硬心韧的高性能。
Description
技术领域
本发明涉及非氧化物基陶瓷材料领域,具体公开了一种高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法。
背景技术
高速、精密、高承载力、高可靠性的高性能轴承产品是高端数控机床、高速列车、风力发电等重大装备的关键基础件。轴承球是轴承产品的核心零件,其失效是制约高性能轴承发展的瓶颈问题之一。氮化硅轴承球相对于传统滚动轴承用的钢球,具有低密度、耐高温、高刚性、高硬度、低热膨胀系数、自润滑性、非灾难性破坏、无磁性等优异性能。轴承球采用烧结的 Si3N4陶瓷材料可以改善克服缺点,但通常传统烧结的Si3N4陶瓷材料不能实现表硬心韧的力学性能,不能满足高性能轴承产品的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法。本发明制备的Si3N4梯度陶瓷球材料具有更优异的力学性能,具有表硬心韧的高性能,且能显著提高Si3N4陶瓷球的抗疲劳性能和使用寿命。
本发明通过以下技术方案予以实现:
本发明提供的一种制备表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球的方法,包括如下步骤:
(1)以Si3N4粉为基体原料,心部以β-Si3N4晶种和Al2O3-Re2O3为烧结助剂,表层以AlN和Al2O3-Re2O3为烧结助剂,心部按照Si3N4:β-Si3N4晶种: Al2O3-Re2O3的质量分数比为98~60%:1~20%:1~20%的配比经混料、干燥后,得到心部为Si3N4-β-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3的混合粉体,表层按照Si3N4: AlN:Al2O3-Re2O3的质量分数比为98~60%:1~20%:1~20%的配比经混料、干燥后,得到表层为Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3的混合粉体,其中Re=Sc,Y,La,Ce, Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu中的任一种,所述的 Al2O3-Re2O3中的Al2O3:Re2O3质量分数比为1~99%:99~1%;
(2)将Si3N4-β-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球心部成分, Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球表层成分,通过球形模具及冷等静压成型获得梯度球坯体;
(3)将梯度球坯体通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
上述步骤(1)中,Si3N4粉的纯度为95~100%,粒径为<10μm;β-Si3N4晶种粉的纯度为99.9%;Al2O3粉的纯度为99.9%;Re2O3粉的纯度为99.9%; AlN粉的纯度为98~100%,粒径为<10um;心部厚度为5~50mm,表层厚度为0.5~10mm。
上述步骤(1)中,心部将Si3N4、β-Si3N4晶种和Al2O3-Re2O3,表层将Si3N4、 AlN和Al2O3-Re2O3按所述质量分数比进行配料,以乙醇为溶剂,以Si3N4球为球磨介质,在球磨机上混合4~48h,干燥后得到心部为Si3N4-β-Si3N4晶种 -Al2O3-Re2O3的混合粉体,表层为Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3的混合粉体。
上述步骤(1)中,球磨机是辊式球磨机,在辊式球磨机上混合24h。
上述步骤(1)中,Si3N4:β-Si3N4晶种:Al2O3-Re2O3的质量分数比为87%: 3%:10%,其中Re=Lu;Si3N4:AlN:Al2O3-Re2O3的质量分数比为90%:2%: 8%,其中Re=Y;所述的Al2O3-Re2O3中的Al2O3:Re2O3质量分数比为25%:75%。
上述步骤(2)中,冷等静压成型压力100~300MPa,保压时间1~10min。
上述步骤(2)中,冷等静压成型压力200MPa,保压时间5min。
上述步骤(3)中,气压烧结方法为:将梯度球坯体放入氮化硼坩埚,以 20℃/min的升温速率将温度升至1000~1250℃,再以10℃/min的升温速率将温度升至1300~1600℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1600~2000℃,并保温0.5~4h,整个烧结过程氮气压力为0.1~10MPa,通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
上述步骤(3)中,气压烧结方法为:将梯度球坯体放入氮化硼坩埚,以 20℃/min的升温速率将温度升至1200℃,再以10℃/min的升温速率将温度升至1600℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1850℃,并保温2h,整个烧结过程氮气压力为0.1MPa,通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
本发明制备得到的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的相对密度高于 96%,心部硬度为10~20GPa,断裂韧性为6~14MPa·m1/2;外部硬度为15~ 25GPa,断裂韧性为3~10MPa·m1/2。
优选地,本发明制备得到的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的的相对密度为99.5%,心部硬度为17GPa,断裂韧性为10.5MPa·m1/2;外部硬度为 22GPa,断裂韧性为5.5MPa·m1/2。
本发明心部采用的β-Si3N4晶种促进了Si3N4晶粒的生长,表层采用的 AlN-Al2O3-Y2O3形成了Sialon相,研究表明,β-Si3N4晶种可以促进Si3N4陶瓷烧结过程中α相向β相转变,并提高其断裂韧性和抗弯强度。通过引入β-Si3N4晶种,Si3N4陶瓷的断裂韧性从6.3MPa·m1 /2提高到8.4~8.7MPa·m1/2,且抗弯强度仍保持在1GPa。Sialon对提高Si3N4陶瓷材料的硬度和高温性能有很大的效果。本发明采用的梯度陶瓷球结构实现了表硬心韧的力学性能,获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。本发明与现有技术相比,具有如下有益效果:
(1)本发明通过引入梯度陶瓷球结构,相对于传统烧结的Si3N4陶瓷材料,通过梯度陶瓷球结构制备的Si3N4陶瓷球材料具有更优异的力学性能,实现了表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备;
(2)该梯度结构能显著提高Si3N4陶瓷球的抗疲劳性能和使用寿命;
(3)该梯度结构的Si3N4陶瓷球具有更广阔的应用领域,广泛应用在航空航天、风力发电精密机床及军工等领域。
附图说明
附图1为具有表硬心韧结构的高性能Si3N4梯度陶瓷球的结构示意图;
附图2为具有表硬心韧结构的高性能Si3N4梯度陶瓷球的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合说明书和具体实施例对本发明做进一步详细、完整地说明,但决非限制本发明,本发明也并非仅局限于下述实施例的内容,下述所使用的实验方法若无特殊说明,均为本技术领域现有常规的方法,所使用的配料或材料,如无特殊说明,均为通过商业途径可得到的配料或材料。下面给出实施案例
实施例1
本发明的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法,具体包括如下步骤:
(1)以Si3N4粉为基体原料,心部以β-Si3N4晶种和Al2O3-Re2O3,表层以 AlN和Al2O3-Re2O3为烧结助剂。其中Re=Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd, Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu中的任一种。
本实施例中,心部按照Si3N4:β-Si3N4晶种:Al2O3:Lu2O3的质量分数比为87%:3%:5%:5%的配比进行混料,表层按照Si3N4:AlN:Al2O3:Y2O3的质量分数比为90%:2%:2%:6%的配比进行混料,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,得到心部为混合均匀的Si3N4-β-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3混合粉体,表层为Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3混合粉体。
(2)将Si3N4-β-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球心部成分, Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球表层成分,通过球形模具及冷等静压成型获得梯度球坯体,心部厚度为5~50mm,表层厚度为0.5~10mm,冷等静压成型压力200MPa,保压时间5min。
(3)将梯度球坯体放入氮化硼坩埚,以20℃/min的升温速率将温度升至 1200℃,然后以10℃/min的升温速率将温度升至1600℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1850℃,并保温2h,整个烧结过程氮气压力为0.1MPa,通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
本发明制备得到的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料,其相对密度高于99.5%,心部硬度为17GPa,断裂韧性为10.5MPa·m1/2;外部硬度为22GPa,断裂韧性为5.5MPa·m1/2。
实施例2
本发明实施例的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法,具体如下:心部按照Si3N4粉质量分数为89%、β-Si3N4晶种粉的质量分数为1%、 MgO-Yb2O3粉的质量分数为10%的配比进行混料,表面按照Si3N4粉质量分数为86%、AlN粉的质量分数为4%、Al2O3-Lu2O3粉的质量分数为10%的配比进行混料,其中MgO:Yb2O3质量分数比为50%:50%、Al2O3:Lu2O3的质量分数比为50%:50%,按照实施例1方法制备Si3N4梯度陶瓷,其中以20℃/min的升温速率将温度升至1200℃,然后以10℃/min的升温速率将温度升至1550℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1800℃,并保温2h,整个烧结过程氮气压力为0.2MPa,通过气压烧结获得高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
本实施例制备的Si3N4梯度陶瓷球材料的相对密度为99%,心部硬度为 16GPa,断裂韧性为10MPa·m1/2;外部硬度为22.5GPa,断裂韧性为5MPa·m1/2。
实施例3
本发明实施例的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法,具体如下:心部按照Si3N4粉质量分数为84%、β-Si3N4晶种粉的质量分数为6%、 Al2O3-Y2O3粉的质量分数为10%的配比进行混料,表面按照Si3N4粉质量分数为 88%、AlN粉的质量分数为4%、Al2O3-Yb2O3粉的质量分数为8%的配比进行混料,其中Al2O3:Y2O3质量分数比为50%:50%、Al2O3:Yb2O3的质量分数比为25%:75%,按照实施例1的方法制备Si3N4梯度陶瓷,其中以20℃/min的升温速率将温度升至1200℃,然后以10℃/min的升温速率将温度升至1500℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1750℃,并保温2h,整个烧结过程氮气压力为0.2MPa,通过气压烧结获得高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
本实施例制备的Si3N4梯度陶瓷球材料的相对密度为98.5%,心部硬度为16.5GPa,断裂韧性为11MPa·m1/2;外部硬度为22GPa,断裂韧性为5.5MPa·m1/2。
实施例4
本发明实施例的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法,具体如下:心部按照Si3N4粉质量分数为89%、β-Si3N4晶种粉的质量分数为3%、 Al2O3-Nd2O3粉的质量分数为8%的配比进行混料,表面按照Si3N4粉质量分数为 84%、AlN粉的质量分数为6%、Al2O3-Y2O3粉的质量分数为10%的配比进行混料,其中Al2O3:Nd2O3质量分数比为25%:75%、Al2O3:Y2O3的质量分数比为50%:50%,按照实施例1的方法制备Si3N4梯度陶瓷,其中以20℃/min的升温速率将温度升至1200℃,然后以10℃/min的升温速率将温度升至1600℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1800℃,并保温2h,整个烧结过程氮气压力为0.2MPa,通过气压烧结获得高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
本实施例制备的Si3N4梯度陶瓷球材料的相对密度为99.5%,心部硬度为 16.5GPa断裂韧性为10.5MPa·m1/2;外部硬度为22GPa,断裂韧性为5MPa·m1/2。
实施例5
本发明实施例的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法,具体如下:心部按照Si3N4粉质量分数为91%、β-Si3N4晶种粉的质量分数为3%、 MgO-La2O3粉的质量分数为6%的配比进行混料,表面按照Si3N4粉质量分数为 86%、AlN粉的质量分数为6%、Al2O3-Nd2O3粉的质量分数为6%的配比进行混料,其中MgO:La2O3质量分数比为33.3%:66.7%、Al2O3:Nd2O3的质量分数比为25%:75%,按照实施例1的方法制备Si3N4梯度陶瓷,其中以20℃/min的升温速率将温度升至1200℃,然后以10℃/min的升温速率将温度升至1500℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1750℃,并保温2h,整个烧结过程氮气压力为0.3MPa,通过气压烧结获得高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
本实施例制备的Si3N4梯度陶瓷球材料的相对密度为99%,心部硬度为 16GPa,断裂韧性为10MPa·m1/2;外部硬度为22GPa,断裂韧性为5.5MPa·m1/2。实施例6
本发明实施例的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法,具体如下:心部按照Si3N4粉质量分数为89%、β-Si3N4晶种粉的质量分数为1%、 MgO-Lu2O3粉的质量分数为10%的配比进行混料,表面按照Si3N4粉质量分数为88%、AlN粉的质量分数为2%、Al2O3-La2O3粉的质量分数为8%的配比进行混料,其中MgO:Lu2O3质量分数比为50%:50%、Al2O3:La2O3的质量分数比为50%:50%,按照实施例1的方法制备Si3N4梯度陶瓷,其中以20℃/min的升温速率将温度升至1200℃,然后以10℃/min的升温速率将温度升至1550℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1700℃,并保温2h,整个烧结过程氮气压力为0.2MPa,通过气压烧结获得高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
本实施例制备的Si3N4梯度陶瓷球材料的相对密度为99%,心部硬度为 16.5GPa断裂韧性为10.5MPa·m1/2;外部硬度为22GPa,断裂韧性为5MPa·m1/2。
Claims (9)
1.一种表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)以Si3N4粉为基体原料,心部以β-Si3N4晶种和Al2O3-Re2O3为烧结助剂,表层以AlN和Al2O3-Re2O3为烧结助剂,心部按照Si3N4:β-Si3N4晶种:Al2O3-Re2O3的质量分数比为98~60%:1~20%:1~20%的配比经混料、干燥后,得到心部为Si3N4-β-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3的混合粉体,表层按照Si3N4:AlN:Al2O3-Re2O3的质量分数比为98~60%:1~20%:1~20%的配比经混料、干燥后,得到表层为Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3的混合粉体,其中Re=Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu中的任一种,所述的Al2O3-Re2O3中的Al2O3:Re2O3质量分数比为1~99%:99~1%;
(2)将Si3N4-β-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球心部成分,Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球表层成分,通过球形模具及冷等静压成型获得梯度球坯体;
(3)将梯度球坯体通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料;
上述步骤(1)中,
Si3N4粉的纯度为95~100%,粒径为<10μm;β-Si3N4晶种粉的纯度为99.9%;Al2O3粉的纯度为99.9%;Re2O3粉的纯度为99.9%;AlN粉的纯度为98~100%,粒径为<10μ m ;心部厚度为5~50mm,表层厚度为0.5~10mm。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于上述步骤(1)中,心部将Si3N4、β-Si3N4晶种和Al2O3-Re2O3,表层将Si3N4、AlN和Al2O3-Re2O3按所述质量分数比进行配料,以乙醇为溶剂,以Si3N4球为球磨介质,在球磨机上混合4~48h,干燥后得到心部为Si3N4-β-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3的混合粉体,表层为Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3的混合粉体。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于上述步骤(1)中,球磨机是辊式球磨机,在辊式球磨机上混合24h。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于上述步骤(1)中,Si3N4:β-Si3N4晶种:Al2O3-Re2O3的质量分数比为87%:3%:10%,其中Re=Lu;Si3N4:AlN:Al2O3-Re2O3的质量分数比为90%:2%:8%,其中Re=Y;所述的Al2O3-Re2O3中的Al2O3:Re2O3质量分数比为25%:75%。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于上述步骤(2)中,冷等静压成型压力100~300MPa,保压时间1~10min。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于上述步骤(2)中,冷等静压成型压力200MPa,保压时间5min。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于上述步骤(3)中,气压烧结方法为:将梯度球坯体放入氮化硼坩埚,以20℃/min的升温速率将温度升至1000~1250℃,再以10℃/min的升温速率将温度升至1300~1600℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1600~2000℃,并保温0.5~4h,整个烧结过程氮气压力为0.1~10MPa,通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于上述步骤(3)中,气压烧结方法为:将梯度球坯体放入氮化硼坩埚,以20℃/min的升温速率将温度升至1200℃,再以10℃/min的升温速率将温度升至1600℃,然后以5℃/min的升温速率将温度升至1850℃,并保温2h,整个烧结过程氮气压力为0.1MPa,通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法,其特征在于制备得到的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的相对密度高于96%,心部硬度为10~20GPa,断裂韧性为6~14MPa·m1/2;外部硬度为15~25GPa,断裂韧性为3~10MPa·m1/2。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510992624.0A CN105622107B (zh) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | 一种表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510992624.0A CN105622107B (zh) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | 一种表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105622107A CN105622107A (zh) | 2016-06-01 |
CN105622107B true CN105622107B (zh) | 2019-02-01 |
Family
ID=56037504
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510992624.0A Active CN105622107B (zh) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | 一种表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105622107B (zh) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106083065B (zh) * | 2016-06-08 | 2019-06-14 | 广东工业大学 | 一种高性能Si3N4-TiC0.5N0.5复合梯度陶瓷刀具材料及其制备方法 |
CN106904977B (zh) * | 2017-03-20 | 2020-09-25 | 广东工业大学 | 一种两步烧结法制备表硬心韧Si3N4陶瓷材料的方法 |
CN107954722B (zh) * | 2017-12-05 | 2021-05-04 | 广东工业大学 | 一种通过自扩散制备Si3N4梯度材料的方法 |
CN108863396B (zh) * | 2018-06-14 | 2021-04-06 | 广东工业大学 | 一种氮化硅基连续功能梯度陶瓷球及其制备方法和应用 |
CN109400176A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-03-01 | 广东工业大学 | 一种高性能氮化硅陶瓷及其制备方法和应用 |
CN114835501B (zh) * | 2022-05-19 | 2023-06-23 | 广东工业大学 | 一种氮化硅基织构化梯度材料及其制备方法和应用 |
CN115448730A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-12-09 | 衡阳凯新特种材料科技有限公司 | 一种高强高导热氮化硅陶瓷刀具及其制备方法和应用 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100486931C (zh) * | 2007-06-07 | 2009-05-13 | 西北第二民族学院 | 一种高强度、高韧性的氮化硅陶瓷液相烧结法 |
CN101864620A (zh) * | 2010-07-30 | 2010-10-20 | 哈尔滨工业大学 | 一种氮化硅晶须的制备方法 |
CN104926317A (zh) * | 2015-06-01 | 2015-09-23 | 广东工业大学 | 一种高韧性Si3N4陶瓷的制备方法 |
-
2015
- 2015-12-23 CN CN201510992624.0A patent/CN105622107B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100486931C (zh) * | 2007-06-07 | 2009-05-13 | 西北第二民族学院 | 一种高强度、高韧性的氮化硅陶瓷液相烧结法 |
CN101864620A (zh) * | 2010-07-30 | 2010-10-20 | 哈尔滨工业大学 | 一种氮化硅晶须的制备方法 |
CN104926317A (zh) * | 2015-06-01 | 2015-09-23 | 广东工业大学 | 一种高韧性Si3N4陶瓷的制备方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105622107A (zh) | 2016-06-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105622107B (zh) | 一种表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法 | |
CN102173813B (zh) | 一种含硼化锆复相陶瓷材料的制备方法 | |
CN106904977B (zh) | 一种两步烧结法制备表硬心韧Si3N4陶瓷材料的方法 | |
CN113666764B (zh) | 一种短切碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料墨水直写成型方法 | |
CN106083065B (zh) | 一种高性能Si3N4-TiC0.5N0.5复合梯度陶瓷刀具材料及其制备方法 | |
CN102531670A (zh) | 高抗压强度低密度的陶瓷金属复合材料的制备方法 | |
CN104926317A (zh) | 一种高韧性Si3N4陶瓷的制备方法 | |
CN104193384A (zh) | 一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法 | |
CN108863396A (zh) | 一种氮化硅基连续功能梯度陶瓷球及其制备方法和应用 | |
CN108046808A (zh) | 一种Si3N4梯度材料及其制备方法 | |
CN101734920B (zh) | 一种氮化钛多孔陶瓷及其制备方法 | |
CN102976760A (zh) | 添加稀土氧化物的硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料及其制备方法 | |
CN104131208A (zh) | 一种氧化铝-碳化钛微米复合陶瓷刀具材料及其微波烧结方法 | |
CN115636674A (zh) | 一种高硬度和高韧性的氮化硅轴承球及其制备方法和应用 | |
CN111393170A (zh) | 一种通过多因素优化制备高致密度氮化硅陶瓷的方法及制备的氮化硅陶瓷 | |
CN107651964A (zh) | 一种AlN基复合陶瓷及其制备方法 | |
CN109336562B (zh) | 一种氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法 | |
CN105254307B (zh) | 一种制备Si3N4‑O’‑Sialon‑TiN陶瓷球材料的方法 | |
KR101620510B1 (ko) | 고인성 고경도 상압소결 탄화규소 소재 제조용 조성물, 탄화규소 소재 및 소재의 제조방법 | |
CN109467442B (zh) | 一种氮化硅陶瓷及其制备方法 | |
CN104609864B (zh) | 一种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法 | |
CN111592354A (zh) | 一种高性能环保复合建筑陶瓷材料及其制备方法 | |
CN109516814B (zh) | 一种Si3N4/SiC复相陶瓷材料及其制备方法 | |
CN107954722B (zh) | 一种通过自扩散制备Si3N4梯度材料的方法 | |
CN103011821B (zh) | 一种h-BN/TiC可加工陶瓷的制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |