一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于陶瓷材料技術領域，具體涉及一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法。
【背景技術】
[0002]氮化硅陶瓷作為一種優異的高溫結構材料，具有機械強度高、耐高溫、抗熱震性好、密度小，耐腐蝕、抗氧化、自潤滑諸多優點，日益受到人們的重視，現已經應用在機械加工、航空航天、軍事、生活等領域。用氮化硅生產的刀具可以進行高速切割、大沖擊力的切削以及螺紋加工。氮化硅軸承可在高溫、腐蝕、高速、無潤滑等苛刻條件下正常運轉。安裝氮化硅電熱塞的汽車，在寒冷的冬季啟動時電熱塞僅需預熱十秒鐘。用氮化硅制成的渦輪轉子轉動慣量可減少40%。由此可見，氮化硅陶瓷在各行各業中具有諸多優異的性能。相信隨著氮化硅陶瓷粉末生產、成型、燒結技術的不斷提高，氮化硅陶瓷將會獲得更加廣泛的應用。
[0003]目前常用的氮化硅燒結方式有熱等靜壓燒結、反應燒結、常壓燒結、氣氛壓力燒結。其中熱等靜壓燒結壓力高，設備復雜，生產工藝要求嚴，生產效率較低，成本高。反應燒結生產的氮化硅陶瓷致密性差，氣孔率高，制品中最終會有殘存的未反應物。常壓燒結成本低，可燒結各種復雜形狀的制品、效率高，從實用上看，氮化硅的常壓燒結是研究的主要方向之一。常壓燒結一般采用液相燒結方式。為了制備高致密性的氮化硅陶瓷，一般添加燒結助劑，使其在高溫下與氮化硅表面的S12反應形成液相，通過顆粒的重排、溶解-沉淀促進燒結致密化。常用的燒結助劑有 Al203、Mg0、Zr02、Si02、Y203、La203、Sm203、Lu203、Ce02、AlP04 以及其復合助劑。為此我們選擇添加金屬氧化物和稀土氧化物的復合助劑，采用常壓燒結方法來制備高致密度的氮化硅陶瓷。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法。本方法操作簡單，方便可行，成本低，適合工業化生產，制得的氮化硅陶瓷致密性好，抗彎強度高。本發明所采用的技術方案是:
[0005]步驟一:將干燥后的原料按以下質量百分比進行配料:氮化硅70?90%，金屬氧化物4?15%，稀土氧化物3?12%，粘結劑0.5?3%，二氧化硅O?8%，氟化銫O?3%，分散劑O?1%，消泡劑O?0.15%。將上述原料放入行星式球磨機中采用濕法混合均勻得到混合漿料，對漿料進行烘干后過14?40目篩子得到預成型的造粒粉；
[0006]步驟二:將步驟一中所述造粒粉體放入模具中進行干壓成型，得到坯體；
[0007]步驟三:將步驟二中所述坯體干燥后放入多功能燒結爐中，在氮氣氣氛保護下升溫至一定溫度并保溫，保溫結束后隨爐冷卻至室溫，得到高致密度的塊體氮化硅陶瓷。
[0008]步驟一所述的金屬氧化物為氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯或氧化鈦中的一種或多種，稀土氧化物為氧化釔、氧化鑭、氧化鈰或氧化镥中的一種或多種，粘結劑為聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙二醇或酚醛樹脂中的一種，球磨介質為氮化硅球，分散介質為去離子水，分散劑為聚丙烯酸銨，消泡劑為磷酸三丁脂。
[0009]步驟一中所述的氮化硅純度不低于99%，α相含量不低于92%，中位徑為0.3?1.2μπι，金屬氧化物的純度不低于98%，稀土氧化物純度不低于98%，聚乙烯醇的醇解度不大于90%。
[0010]步驟一中所述的球磨機的轉速為200r/min?600r/min，球磨時間為2?6h。
[0011]步驟二中所述的干壓成型壓力為10?30MPa，保壓時間為30?120s。
[0012]步驟三中所述的氮氣氣氛壓力為0.2?2個大氣壓，保溫溫度為1600°(3?1800°(3，保溫時間為I?2h。
[0013]本發明以氮化硅為主要原料，加入一定比例的金屬氧化物與稀土氧化物作為燒結助劑，這些燒結助劑在超過其低共熔點溫度時與氮化硅表面微量的二氧化硅形成液相，顆粒通過在該液相中進行重排實現緊密堆積。冷卻后液相轉變為玻璃相留在燒結體中，燒結體中只有氮化硅相。
[0014]本發明的制備方法以金屬氧化物-稀土氧化物體系為燒結助劑實現了常壓下燒結氮化硅陶瓷，操作簡單、方便可行、適合工業化生產。同時該方法制備的氮化硅陶瓷致密性好，抗彎強度高，滿足實際使用的需要。
【具體實施方式】
[0015]以下結合實施案例對本發明做進一步的說明，但不僅僅局限于實施例。
[0016]實施例1
[0017]將Ig聚乙烯醇(醇解度為88%)通過加熱、攪拌配成1mL的聚乙烯醇溶液。將氮化娃82〖(050 = 0.45卩111、€[ = 94.2% )、氧化招10g、氧化乾8g、磷酸三丁脂溶液0.(Mg、去離子水90mL、上述聚乙烯醇溶液1mL放入球磨罐中。將球磨罐放入行星式球磨機中混合均勻，轉速580r/min，球磨時間2h。
[0018]將上述混合均勻的漿料放入干燥箱中烘干后過18目篩子得到造粒粉。將造粒粉置于模具中干壓成型，成型壓力為15MPa，保壓時間為60s，得到待燒坯體。將坯體干燥后放入多功能燒結爐中，在1730°C下保溫lh。升溫、保溫、降溫過程中始終以0.6個大氣壓的氮氣作為惰性氣體保護氣氛。
[0019]本實施例得到的氮化硅陶瓷的密度達理論密度的98.7%，抗彎強度為928MPa。
[0020]實施例2
[0021 ] 將氮化娃8]^(050 = 0.554111、€[ = 94.2% )、氧化招3g、氧化乾粉末5g、氧化鑭5g、二氧化娃6g、聚乙稀醇Ig、去離子水10mL放入球磨罐中進行球磨，轉速580r/min，球磨時間6h。將上述球磨均勻的漿料烘干后過18目篩子，得到造粒粉體。將造粒粉置于模具中進行干壓成型，成型壓力為20MPa，保壓時間60s，得到預燒坯體。將坯體干燥后置于多功能燒結爐中進行燒結，燒結溫度為1650°C，保溫時間為lh。整個燒結過程中始終以2個大氣壓的氮氣作為惰性氣體保護氣氛。
[0022]本實施例得到的氮化硅陶瓷的密度達理論密度的97%，抗彎強度為830MPa。
[0023]實施例3
[0024]將氮化娃88g(D50 = 0.95μηι、α = 92.5% )、氧化招3g、氧化鎂5g、氧化乾4g、聚乙二醇溶液40mL(濃度5% )、聚丙稀酸錢0.8g、磷酸三丁脂溶液0.06g、去離子水45mL放于球磨罐中進行濕磨，轉速580r/min，球磨時間4h。將混合均勻后的溶液進行烘干，過40目篩進行造粒。將造粒粉放入模具中干壓成型，成型壓力25MPa，保壓時間100s，得到坯體。將坯體在1700°C下保溫2h得到氮化硅陶瓷，氮氣保護氣氛壓力為0.4個大氣壓。
[0025]本實施例得到的氮化硅陶瓷相對密度達98%，燒蝕率為0.6%，抗彎強度為89OMPaο
[0026]實施例4
[0027]將氮化娃粉末87〖(050 = 0.89卩111、€[ = 93% )、氧化鎂粉末3g、氧化鋪3g、氧化镥粉末3g、氟化銫4g、聚乙烯醇溶液20mL(濃度為10%)、去離子水80mL放入球磨罐中球磨，轉速580r/min，球磨時間4h。將混合溶液烘干后過40目篩，得到造粒粉。將造粒粉進行干壓成型，壓力為25MPa，保壓120s。將坯體置于多功能燒結爐中進行燒結，燒結溫度為1750°C，保溫2h，氮氣壓力為0.5個大氣壓。
[0028]本實施例得到的氮化硅陶瓷致密度達理論密度的99%，抗彎強度為940MPa。
【主權項】
1.一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:將干燥后的原料按以下質量百分比稱量:氮化硅70?90 %，金屬氧化物4?15%，稀土氧化物3?12%，粘結劑0.5?3%，二氧化硅O?8%，氟化銫O?3%，分散劑O?I %，消泡劑O?0.15%,將上述原料放入行星式球磨機中采用濕法混合均勻得到混合漿料，對漿料進行烘干后過14?40目篩得到預成型的造粒粉； 步驟二:將步驟一中所述造粒粉體放入模具中進行干壓成型，得到坯體； 步驟三:將步驟二中的坯體干燥后放入多功能燒結爐，在氮氣氣氛保護下升溫至一定溫度并保溫，保溫結束后隨爐冷卻至室溫，得到高致密度的塊體氮化硅陶瓷。2.按照權利要求1所述的一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法，其特征在，步驟一中所述金屬氧化物為氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯或氧化鈦中的一種或多種，稀土氧化物為氧化釔、氧化鑭、氧化鈰或氧化镥中的一種或多種，粘結劑為聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙二醇或酚醛樹脂中的一種，球磨介質為氮化硅球，分散介質為去離子水，分散劑為聚丙烯酸銨，消泡劑為磷酸三丁脂。3.按照權利要求2所述的一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的醇解度不大于90 %。4.按照權利要求1所述的一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，所述氮化硅純度不低于99 %，α相含量不低于92 %，中位徑為0.3?1.2μπι，金屬氧化物的純度不低于98%，稀土氧化物純度不低于98%。5.按照權利要求1所述的一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨機的轉速為200r/min?600r/min，球磨時間為2?6h。6.按照權利要求1所述的一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，步驟二中所述干壓成型壓力為10?30MPa，保壓時間為30?120s。7.按照權利要求1所述的一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，步驟三中所述氮氣保護氣氛為0.2?2個大氣壓，保溫溫度為1600°C?1800°C，保溫時間為I?2h。
【專利摘要】本發明涉及一種陶瓷材料技術領域，具體是一種添加復合助劑制備高致密度氮化硅陶瓷的方法。按以下質量百分比的組成配料：氮化硅70～90％，金屬氧化物4～15％，稀土氧化物3～12％，粘結劑0.5～3％，二氧化硅0～8％，氟化銫0～3％，分散劑0～1％，消泡劑0～0.15％。將上述原料與磨介球、分散介質混合后烘干、過篩，得到造粒粉；將造粒粉放入模具中壓制成素坯，干燥后放入燒結爐中，在氮氣保護下燒結得到高致密度的氮化硅陶瓷。本發明的制備方法可實現常壓下燒結氮化硅陶瓷，操作簡單，方便可行，成本低，適合工業化生產。此外燒結得到的氮化硅陶瓷致密性好，抗彎強度高，可廣泛用作機械、冶金、航天等領域的結構件材料。
【IPC分類】C04B35/622, C04B35/584
【公開號】CN105541341
【申請號】CN201610017072
【發明人】張紅冉, 劉久明
【申請人】河北高富氮化硅材料有限公司
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月12日