CN1230531A - 添加氧化镁及稀土氧化物的烧结氮化硅陶瓷 - Google Patents

Abstract

一种新的烧结氮化硅陶瓷,其特征是同时添加氧化镁(MgO)和稀土氧化物(RO)作为氮化硅陶瓷的烧结助剂,在1450℃,氧化镁—稀土氧化物就会与氮化硅粉末表面的二氧化硅反应生成大量硅酸盐液相,使氮化硅陶瓷致密化。通过控制MgO－RO的组成和烧结工艺,可制取各种不同性能的烧结氮化硅陶瓷,满足不同用途的需求。本发明的烧结氮化硅陶瓷,可高效、经济地制造各种复杂形状的产品,如切削刀具、密封环、轴承、喷嘴及各种耐高温、耐磨损、耐腐蚀制品等。

Description

添加氧化镁及稀土氧化物的烧结氮化硅陶瓷

本发明属于非金属元素及其化合物。

一种新型的氮化硅陶瓷。

氮化硅陶瓷具有优异的综合性能，其高温强度及硬度高、蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、比重小、抗热冲击性好、断裂韧性高，是一种理想的高温结构材料和工具材料，在机械、冶金、化工、汽车、航空航天等领域具有广泛的应用市场，并且由于其主要原料是含量丰富的硅和氮，不受储量限制，因此一直是人们研究开发的重点。

制造氮化硅陶瓷主要有反应烧结、热压、常压(气压)烧结等方法，反应烧结很难制取高性能的氮化硅陶瓷，热压法成本很高，效率很低，并且只能生产形状简单的制品，而常压烧结(气压烧结)则可高效、低成本的生产各种形状复杂的制品，所以从实用上看，常压(气压)烧结氮化硅是研究开发的主要方向，关键是如何利用常压(气压)烧结技术制取高性能的氮化硅陶瓷材料。

氮化硅由于是强共价键，自扩散系数低，并且在1600℃以上分解，因此，纯氮化硅很难烧结致密化，为了制取高性能的烧结氮化硅材料，需要加入烧结助剂，以在烧结温度下与氮化硅粉末表面的SiO2反应形成液相，促进烧结致密化，因此，烧结氮化硅陶瓷研究的关键是选用合适的烧结助剂，使得烧结氮化硅陶瓷达到更高的性能。

在理论上和实验上，人们对氮化硅有效烧结助剂的选择作了大量的研究，并已取得很大进展，大多数的研究都集中在Si-Al-O-N或Si-Al-Y-O-N系统，在这些系统中，其常压烧结陶瓷材料的强度一般只在850MPa，尽管人们已作了很大努力，但进一步提高性能已非常困难，因此，有必要对其它的系统进行研究。

针对已有技术存在的缺陷，本发明选择了同时添加氧化镁及稀土氧化物作为独特的烧结助剂来制备高性能烧结氮化硅陶瓷，研究表明，这种组合非常理想，其致密化效果比单独用氧化镁或稀土氧化物要好得多，本发明详细的研究了MgO-RO含量，MgO/RO比例、球磨工艺、成型工艺及烧结工艺对烧结氮化硅陶瓷材料性能及结构的影响规律，研究了组成对致密化及相变过程的影响，从而可以对材料的组成、结构与性能进行有效的控制。本发明研制的常压烧结的Si₃N₄-MgO-RO陶瓷，相对密度≥98.5％，硬度≥91HRA，抗弯强度≥950Mpa。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

附图：添加氧化镁及稀土氧化物的烧结氮化硅陶瓷制备工艺流程图。

如附图所示，本发明的工艺流程是：先将氮化硅粉末，氧化镁粉末，稀土氧化物粉末，在球磨机中加入乙醇湿磨混合，介质为陶瓷球或硬质合金球，充分混合均匀后，经干燥，过筛，掺成型剂(聚乙二醇PEG、石蜡、聚乙烯醇PVC)，干燥过筛制粒，得到混合料，经成型(干压、冷等静压、注射成型)，得到生坯，经脱成型剂后，即可进行常压烧结或气压烧结，得到烧结坯，然后根据产品的具体表面要求进行深加工，得到最终产品。

本发明所述的氮化硅陶瓷质量百分比为：Si₃N₄:80～90％；MgO:1～9％；稀土氧化物：1～9％(其中：稀土氧化物为Y₂O₃、La₂O₃、CeO₂等或其组合)

本发明的优点在于可利用普通的低品位的氮化硅粉未原料(N₂≥37％，α相≥88％)和廉价的氧化物和稀土氧化物，通过烧结工艺制备出低成本、高性能的烧结氮化硅陶瓷，这种烧结氮化硅陶瓷可经济、高效的制成各种复杂形状的制品，可作为刀具、密封件、喷嘴和各种耐高温、耐磨、耐腐蚀部件在机械、冶金、化工、航天等领域广泛应用。

实例1：高强度烧结Si₃N₄-MgO-RO陶瓷

Si₃N₄粉末90％,MgO粉末4％,Y₂O₃粉末2％、CeO₂粉末4％，加入乙醇在球磨机中湿磨24小时，干燥过筛后，掺5％石蜡作为成型剂，干燥过筛制粒后，在120MPa压力下压制成型，脱成型剂后，在石墨真空炉中，在1650℃～1900℃下通1atm N₂常压烧结60～120分钟，随炉冷却，这样制得的烧结氮化硅陶瓷，相对密度≥98.5％，硬度≥91HRA，抗弯强度≥950Mpa。实例2：高强度烧结Si₃N₄-MgO-RO陶瓷

材料成分：Si₃N₄88％,MgO6％,Y₂O₃1％,La₂O₃2％,CeO₂3％，其余制造工艺同上，这样制得的烧结氮化硅陶瓷，抗弯强度≥900MPa。

以上二种高强度氮化硅陶瓷适合于制作刀具等强度要求高的产品。实例3：中强度烧结Si₃N₄-MgO-RO陶瓷

材料成分：Si₃N₄84％,MgO8％,CeO₂6％,La₂O₃2％，其余工艺同上，常压烧结时烧结温度1500℃～1600℃，这样制得的烧结氮化硅陶瓷，相对密度≥97％，强度500～700MPa，这种烧结其特点是烧结温度较低，对烧结炉要求不高，适合作密封环等耐磨、耐腐蚀制品。实例4：本发明的烧结氮化硅陶瓷作为刀具的切削应用实例

切削刀具：烧结氮化硅陶瓷，刀具型号SNUN150410

被加工材料：冷硬铸铁HRC50～52

切削参数：速度V=60m/min

          进刀量S=0.15mm/r

          吃刀深度a=8mm

切削角度：前角γ=-5°

          刃倾角λ=-5°

          主偏角K_α=75°

使用结果：切削90分钟

      后面磨损V_B=0.3mm实例5：本发明氮化硅刀具抗冲击应用实例

切削刀具：烧结氮化硅陶瓷，刀具型号SNUN150410

被加工材料：球磨铸铁HB300

被加工工件：φ500双键

切削参数：速度V=100m/min

          进刀量S=0.3mm/r

          吃刀深度a=8mm

切削角度：前角γ=-5°

          刃倾角λ=-5°

          主偏角K_α=45°

使用结果：断续切削80分钟

          后面磨损V_B＜0.2mm

Claims (2)

1．一种新型烧结氮化硅陶瓷，由配料-球磨-干燥-过筛-加成型剂-成型-脱成型剂-烧结-深加工等工序制成，其特征是同时加入了氧化镁和稀土氧化物作为烧结助剂，本发明所述的氮化硅陶瓷质量百分比为：Si₃N₄:80～90％；MgO:1～9％；稀土氧化物：1～9％(其中：稀土氧化物为Y₂O₃、La₂O₃、CeO₂等或其组合)。

2．根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷，既可采用常压烧结工艺，也可采用气压烧结工艺，另外也可将混合料直接热压而得到最终产品。