耐磨氮化硅陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于特種材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種耐磨氮化硅陶瓷材料，包含以下重量份數(shù)的原料：硅粉10-30份、添加劑粉體1-80份、a-氧化鋁粉1-10份和氧化釔1-8份；其中：添加劑粉體的顆粒在500g載荷下的維氏硬度大于20GPa，彈性模具量大于400GPa，熱膨脹系數(shù)大于5×10-6/K。本發(fā)明所述的氮化硅陶瓷材料的材料密度可達(dá)到3.25g/cm3以上，材料的密度97%以上，強(qiáng)度大于420MPa，韌性大于5.5MPa·m1/2，材料性能優(yōu)于一般氮化硅陶瓷材料；本發(fā)明還提供其制備方法，工藝合理，可以通過無壓燒結(jié)得到高致密度的材料和部件。
【專利說明】耐磨氮化硅陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于特種材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種耐磨氮化硅陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅是一種強(qiáng)共價鍵的化合物，作為原子晶體的氮化硅，具有很高的鍵能，在空氣中能形成氧化物保護(hù)膜。具有良好的穩(wěn)定性，及良好的高溫性能；被認(rèn)為是世界上最硬的物質(zhì)之一。能耐受多種酸堿腐蝕，還具有熱震性好、熱膨脹系數(shù)小、絕緣、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]氮化硅作為結(jié)構(gòu)材料使用，具有強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)，可以作為軸承材料、機(jī)械密封材料。要進(jìn)一步提高氮化硅陶瓷材料的性能，一個方法是將它與其它具有更高硬度、彈性模量及熱膨脹系數(shù)的陶瓷材料混合，制備復(fù)相陶瓷材料。美國專利US5908796提出氮化 硅與碳化鈦復(fù)相的材料可以得到更高的硬度、韌性，具有更優(yōu)秀的性能。中國專利CN1760158A進(jìn)一步提出，在氮化娃-碳化鈦復(fù)相材料中加入一定量的納米碳化鈦顆粒可以提聞材料性能。
[0004]但是，上述氮化硅與碳化鈦復(fù)相材料，都要通過熱壓燒結(jié)制備，材料的制備效率低，成本高，且不易得到大尺寸或復(fù)雜形狀的制品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種耐磨氮化硅陶瓷材料，材料密度可達(dá)到3.25g/cm3以上，強(qiáng)度大于420MPa，韌性大于5.5MPa.πι1/2，材料性能優(yōu)于一般氮化硅陶瓷材料；本發(fā)明還提供其制備方法，工藝合理，可以通過無壓燒結(jié)得到高致密度的材料和部件。
[0006]本發(fā)明所述的耐磨氮化硅陶瓷材料，包含以下重量份數(shù)的原料:
[0007]娃粉10-30份、添加劑粉體1-80份、a_氧化招粉1-10份和氧化乾1_8份；
[0008]其中:添加劑粉體的顆粒在500g載荷下的維氏硬度大于20GPa，彈性模具量大于400GPa，熱膨脹系數(shù)大于5X 10_6/K。
[0009]本發(fā)明在制備過程中需在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)，原料中的硅粉與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)氮化硅，本發(fā)明所用添加劑粉體的顆粒在500g載荷下的維氏硬度大于20GPa，彈性模具量大于400GPa，熱膨脹系數(shù)大于5 X 10_6/K，該添加劑粉體分散在氮化硅基體中，硬度與彈性模量不小于氮化硅基體，不會對所得材料的性能造成不利影響；另外，添加劑粉體的熱膨脹系數(shù)高于氮化硅基體，在燒結(jié)后的降溫過程中，可以在基體內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，提供一種增韌機(jī)制，使材料抗機(jī)械損傷的能力進(jìn)一步提高。
[0010]添加劑粉體優(yōu)選為碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化鋯、硼化鈦或硼化鋯中的一種或幾種，其它符合上述給出的指標(biāo)要求的也可以采用。從第二相對復(fù)相材料增強(qiáng)增韌的效果考慮，添加劑粉體的粒度為0.1-100微米，但不宜太粗，優(yōu)選為0.3-5微米。第二相太細(xì)增韌的效果不明顯，太粗，則會影響材料的強(qiáng)度性能，也使材料的致密化變得困難。當(dāng)原料粒度太大時，可以經(jīng)過球磨等粉碎工藝，達(dá)到合適的粒度。
[0011]本發(fā)明在制備過程需在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)，原料中的硅粉與氮?dú)獍l(fā)生如下反應(yīng)，反應(yīng)后體積膨脹，可以填充素坯中的氣孔。
[0012]Si+N2 —Si3N4
[0013]另外，原料中含有Al2OjP Y2O3, a-氧化鋁粉和氧化釔的重量比優(yōu)選為3:4，這樣的比例可以促使氧化鋁和氧化釔在高溫下優(yōu)先生成YAG液相(Y3Al5O12),促進(jìn)材料的致密化，達(dá)到不經(jīng)過熱壓燒結(jié)，僅領(lǐng)先無壓燒結(jié)即得到高致密度材料的目的。氧化鋁和氧化釔在高溫下發(fā)生反應(yīng)如下式所示:。
[0014]A1203+Y203 — Y3Al5O12 (YAG)
[0015]本發(fā)明原料中優(yōu)選再加入a -Si3N4 ( α -氮化硅粉)，添加量為1_80份。
[0016]原料優(yōu)選還包含聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚丙烯酸鹽或纖維素衍生物中的一種或幾種。
[0017]本發(fā)明所述的耐磨氮化硅陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:
[0018](I)將所有組分混合，制成素坯；
[0019](2)將所得到的素坯在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)，燒結(jié)的溫度為1500°C -1900°C，氮?dú)獾膲毫?0.1-1OMPao
[0020]其中:由于所制備的氮化硅陶瓷通常生成具有一定形狀的尺寸的部件應(yīng)用，所以一般先把所有原料混合，根據(jù)需要，生成具有一定尺寸和形狀的素坯。
[0021 ] 步驟(1)中制成素坯所采用的制備工藝可采用多種方法，最常用的是干壓成型、澆注成型和擠出成型。為滿足成型工藝的要求，可以在制成素坯的工藝中加入多種添加劑，如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯縮丁醛(PVB)、聚丙烯酸鹽(PAA)、纖維素衍生物等。
[0022]步驟(2)中燒結(jié)溫度為1650°C _1750°C，氮?dú)獾膲毫?.5_5MPa。步驟(2)中將所得到的素坯在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)，原料中的硅粉與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)生成Si3N4，氮?dú)獾氖褂昧繘]有限制，只要材料中有可與氮?dú)夥磻?yīng)之物料，使之盡可能反應(yīng)。
[0023]綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0024](I)本發(fā)明制備的耐磨氮化硅陶瓷材料，材料密度可達(dá)到3.25g/cm3以上，材料的密度97%以上，強(qiáng)度大于420MPa，韌性大于5.5MPa.m1/2。材料性能優(yōu)于一般氮化硅陶瓷材料。
[0025](2)本發(fā)明提供不通過熱壓燒結(jié)制備氮化硅與另一種陶瓷顆粒組成的復(fù)相材料的方法，工藝合理，可以通過氮?dú)鈿夥諢o壓燒結(jié)或氣壓燒結(jié)得到高致密度的材料和部件。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0027]實(shí)施例1
[0028]碳化鈦(500g維氏硬度28GPa，彈性模量439.43GPa，熱膨脹系數(shù)7.4X 10_6/K，d50=2 μ m)30 份,娃粉(d5Q=l μ m)23 份，a_氧化招粉(d5Q=0.3 μ m)3 份,氧化乾粉(d5Q=0.3 μ m)4份，a-氮化硅粉(UBE-SN-E10，d50=0.3 μ m)40份，加無水乙醇70份，球磨2小時，加8%PVA水溶液12份，繼續(xù)球磨I小時，烘干，過120目篩。上述混合好的粉體壓成6 X 8 X 45mm試條，在5MPa氮?dú)鈮毫ο聼Y(jié)，溫度1820°C，保溫時間2小時。材料密度3.35g/cm3，強(qiáng)度421MPa，朝性 5.6MPa.m1/2。
[0029]實(shí)施例2
[0030]碳化鋯(500g維氏硬度25GPa，彈性模量440GPa，熱膨脹系數(shù)5.2 X 10_6/K, d50=0.5 μ m) 5 份,娃粉(d50=l μ m) 20 份，a_ 氧化招粉(d50=0.3 μ m) 2 份,氧化 f乙粉Cd50=0.3 μ m) 3份，a_氮化娃粉(上海,d50=0.5 μ m) 70份,加無水乙醇60份,球磨2小時,加8%PVA水溶液8份，繼續(xù)球磨I小時，得原料漿料備用。上述混合好的漿料澆入FlOO X 120mm石膏模具，用硬紙板蓋住上口 ；待漿料中的液體不斷被石膏模具吸收、液面下降后，經(jīng)常補(bǔ)加漿料至與模具口平。吸漿24小時后將內(nèi)部漿料倒出，陰干，得到壁厚約8_厚的圓桶。完全干燥后切成6X8X45mm試條，在3MPa氮?dú)鈮毫ο聼Y(jié)，溫度1780°C，保溫時間2小時。材料密度 3.30g/cm3,強(qiáng)度 570MPa，韌性 5.8MPa.m1/2。
[0031]實(shí)施例3
[0032]碳化鈦(500g維氏硬度28GPa，彈性模量439.43GPa，熱膨脹系數(shù)7.4 X 10_6/K, d50=0.5 μ m) 60 份,娃粉(d50=l μ m) 30 份，a_ 氧化招粉(d50=0.3 μ m) 7 份，氧化 f乙粉Cd50=0.3 μ m) 3份，加無水乙醇60份，球磨2小時，干燥得混合粉體。上述粉體92份，加8%PVA水溶液6份，甲基纖維素2份，水20份，練泥，陳化24小時，擠出得寬2cm，厚Icm的條板。完全干燥后切成6X8X45mm試條，在6MPa氮?dú)鈮毫ο聼Y(jié)，溫度1900°C，保溫時間I 小時。材料密度 4.30g/cm3，強(qiáng)度 550MPa,韌性 6.3MPa.m1/2。 [0033]實(shí)施例4
[0034]硼化釩(500g維氏硬度25GPa，彈性模量430GPa，熱膨脹系數(shù)6.2 X 10_6/K，d50=20 μ m)3 份,娃粉(d5Q=l μ m)20 份，a_氧化招粉(d5CI=0.3 μ m)l 份,氧化乾粉(d5Q=0.3 μ m)7份，a-氮化硅粉(上海，d50=0.5 μ m)70份，加無水乙醇60份，球磨2小時，加8%PVA水溶液8份，繼續(xù)球磨I小時，得原料漿料放入烘干箱中烘干。烘干后料將過60目篩造粒。將造粒料填充到模具中，進(jìn)冷等進(jìn)壓機(jī)壓制。完全干燥后切成6 X 8 X 45mm試條，在3MPa氮?dú)鈮毫ο聼Y(jié)，溫度1820°C，保溫時間2小時。材料密度3.28g/cm3，強(qiáng)度520MPa，韌性6.0MPa.m1/2。
【權(quán)利要求】
1.一種耐磨氮化硅陶瓷材料，其特征在于:包含以下重量份數(shù)的原料: 娃粉10-30份、添加劑粉體1-80份、a-氧化招粉1-10份和氧化乾1-8份；其中:添加劑粉體的顆粒在500g載荷下的維氏硬度大于20GPa，彈性模具量大于400GPa，熱膨脹系數(shù)大于 5Χ10-6/Κ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨氮化硅陶瓷材料，其特征在于:添加劑粉體為碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化鋯、硼化鈦或硼化鋯粉體中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨氮化硅陶瓷材料，其特征在于:添加劑粉體的顆粒的粒度為0.1-100微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨氮化硅陶瓷材料，其特征在于:a-氧化鋁粉與氧化釔的摩爾比為5:3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨氮化硅陶瓷材料，其特征在于:原料還包含a_Si3N4。
6.一種權(quán)利要求1-5任 一所述的耐磨氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)將所有組分混合，制成素坯； (2)將所得到的素坯在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)，燒結(jié)的溫度為1500°C-1900°C，氮?dú)獾膲毫?.1-1OMPa0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐磨氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(1)中制成素坯的方法為干壓成型、澆注成型、注射成型或擠出成型。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐磨氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(1)中制成素坯的過程中加入聚乙烯醇、聚乙烯縮丁醛、聚丙烯酸鹽或纖維素衍生物中的一種或幾種。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐磨氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中燒結(jié)溫度為1650°C _1750°C，氮?dú)獾膲毫?.5_5MPa。
【文檔編號】C04B35/584GK103922750SQ201410158526
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】朱明廣, 張兆泉, 張惠卿, 孟偉春, 王明川 申請人:淄博大方新材料科技有限公司