一种自增强氮化硅陶瓷体及其制备方法技术

制备高断裂韧性的自加强氮化硅陶瓷体的方法，通过热压含氮化硅和三种其它组份的粉末混合物，使其致密化，就地形成纵横比高的β－氮化硅晶须。其它的组份是二氧化硅致密化助剂，氧化钇转化助剂，及可加强晶须生长的化合物氧化钙。所得氮化硅陶瓷具有β－氮化硅结晶相，其中至少２０％（体积）是平均纵横比２．５的晶须或拉长的晶粒及含有二氧化硅，转化助剂，和可加强晶须生长化合物的玻璃相（含氮化铝或氮化硼）。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氮化硅(Si3N4)陶瓷体及制备该陶瓷体的工艺。众所周知氮化硅陶瓷具有很好的机械和物理性能，包括良好的耐磨性，低热膨胀系数。良好的抗热冲击性，高抗蠕变性以及高电阻率。另外，氮化硅陶瓷可抗化学腐蚀，特别是抗氧化。由于这些特性，氮化硅广泛地用于磨损和高温应用场合，例如切削刀具和泵及发动机上的部件。氮化硅陶瓷的破坏通常与其脆性和裂纹有关。断裂强度与断裂韧性成正比，与裂纹尺寸的平方根成反比。但是，整体的氮化硅，具有相对低的断裂韧性，大约5MPa·m1/2。希望提供一种具有高断裂韧性连同小裂纹尺寸的氮化硅陶瓷，它包括用β-氮化硅晶须进行氮化硅体的增强。本专利技术的一个方面是制备一种自增强的氮化硅陶瓷体的工艺，该氮化硅陶瓷体含有占优势的β-氮化硅晶须，该晶须具有高的平均长度与直径之比(纵横比)。该工艺包括提供一种粉末混合物，该混合物含有(a)氮化硅的量足够供给一个陶瓷体;(b)二氧化硅的量足够促进粉末的致密化;(c)一种转化助剂的量足够造成起始氮化硅向β-氮化硅的基本上完全转化，该转化助剂来源于钇、钪、锕、镧、锂、钠、钾、铷、铯或钫;以及(d)至少一种加强晶须生长的化合物的量足以促进β-氮化硅晶须的形式，该化合物来源于钙、钠、钾、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锶、锆、铌、钡、镧，及其混合物，或者镓、铟、铪、钽或硼的一种氧化物，但是，只要用作加强晶须生长的化合物的元素不同于转化助剂中所用的元素即可。该工艺控制在温度和压力的条件是以提供致密化和就地形成具有高的平均长度与直径之比的β-氮化硅晶须。以这种方法。所形成的自增强氮化硅陶瓷体用如下所述的Chevron切口方法测得的断裂韧性大于6MPa(m)1/2。该工艺可以包括一个制备粉末混合物的预备阶段。就本专利技术的目的而言，“高”的平均长度与直径之比(纵横比)意味着平均长度与直径之比至少为2.5。该粉末混合物可随意包括氮化铝或氮化硼其重量百分数(以总的粉末混合物重为基)为0.01%到5%。可用任何方法来加压和加温，只需能造成充分的致密化和就地形成晶须。采用热压或热等静压，有利于压力和温度施加的产生，优选的是采用热压。本专利技术的第二个方面，是具有断裂韧性大于6MPa(m)1/2的氮化硅陶瓷体，在23℃下用Chevron切口技术测量得出，包括(a)用扫描电子显微镜观察氮化硅陶瓷体的一个平面，占至少20%(体积)的β-氮化硅的结晶相，是以平均长度与直径之比为至少2.5的晶须形式存在的;并且(b)玻璃相的量占总体重量不大于35%(重量)，包括(1)二氧化硅，(2)一种转化助剂，它来源于钇、钪、锕、镧、锂、钠、钾、铷、铯和钫，以及(3)一种β-氮化硅晶须生长加强化合物，所说的化合物来源于钙、钠、钾、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锶、锆、铌、钡、或镧，或者镓、铟、铪、钽和硼的一种氧化物，选作晶须生长加强化合物的元素不同于选作转化助剂的元素。该玻璃相可任意含有，例如，占玻璃相重量0.01%-15.0%(重量)的氮化铝或氮化硼。本专利技术的第三个方面，是包含有上述定义的氮化硅陶瓷体的切削刀具。本专利技术的氮化硅陶瓷体的断裂韧性，显著高于现有技术的单块氮化硅陶瓷的断裂韧性。如果本专利技术的氮化硅陶瓷体的断裂韧性对密度归一，则归一化的断裂韧性和断裂强度是已知的任何陶瓷材料中最高的。制备本专利技术的陶瓷体的氮化硅起始材料可以是任意氮化硅粉末。粉末举例有，α-氮化硅和β-氮化硅的结晶形式，或者α-氮化硅和β-氮化硅的非晶态无定形形式，或者它们的混合物。希望氮化硅粉末含量中的α-结晶形式占优势，或者无定形形式，或者它们的混合物占优势。起始氮化硅最好含有占优势数量的α结晶形式。起始粉末具有高α/β重量比是有益的，例如，起始粉末达到β-氮化硅的含量为20%(重量)或更少。该β-氮化硅的含量少于10%(重量)是有益的，希望的是少于6%(重量)。氮化硅起始材料有益的组成是占粉末混合物总重量的80%-97%。起始氮化硅粉末的纯度的提高，通常导致所得到的陶瓷体的性能的改善。但是，市售的氮化硅粉末可以含有非金属杂质。尽管可容许有一些杂质，但杂质应尽可能地减少至最小。例如，在氮化硅颗粒的表面上以氧化硅覆盖层的形式存在的氧的量，可以通过淋洗粉末除去至少一部分的覆盖层的方法进行降低。另一种杂质，元素硅通常存在的量最多至0.5%(重量)。这样的数量是无毒的，可以容许的。非金属，例如碳，有可能在热压或烧结过程中形成碳化硅，少量的碳是可容许的。具有任何尺寸或表面积的氮化硅起始粉末均可通过热压来制得本专利技术的陶瓷体。但是，某种尺寸，会造成一些困难。例如，大颗粒(那些平均直径在15-50μm范围内的)可能作为不易打碎的硬聚集物存在。含有这样的聚集物的粉末形成不良的陶瓷。另一方面，很细的粉末(那些平均直径小于大约0.2μm的)也会造成工艺问题。起始粉末最好具有平均直径在0.2μm-10.0μm的范围内。平均直径希望的是0.2μm-3.0μm。氮化硅颗粒合适的表面积在5m2/g至15m2/g的范围内，用Brunauer-Emmeet-Teller(BET)测表面积方法所确定，该方法的描述见C.N.Satterfield所著的“Beterogeneous Catalysis in Practice，McGraw-Hill图书公司，1980，pp.102-105。表面积最好在8m2/g至15m2/g的范围内。当不存在致密化助剂时，原料氮化硅粉末不能致密化至高密度。致密化助剂形成了一种α-氮化硅可溶解于其中的液相。液相在某个温度，或某个温度范围以上形成，该温度或温度范围因致密化助剂不同而有变化。在液相中，α-氮化硅的传质速率通常相当快。于是，氮化硅密度增加直至达到临界质量，并且发生沉淀为止。对本专利技术的所有方面，二氧化硅即SiO2用作致密化助剂。SiO2的量最好是以促进这里所描述的致密化，并得到断裂韧性大于6MPa(m)1/2的氮化硅陶瓷体。致密化助剂占粉末混合物的总重量，希望是1%-28%(重量)，优选的是3%-10%(重量)。除了致密化助剂外，该粉末混合物必须含有一种转化助剂。转化助剂形成一种玻璃相，一般地，通过该玻璃相的传质比在致密化助剂中慢很多。于是，虽然加热时α-氮化硅溶解在转化助剂中，但它不易致密化。但是，转化助剂的确促进了α-氮化硅向β-氮化硅的快速的，基本上完全的转化。这种转化是所希望的，因为，β-氮化硅，以拉长的单晶粒或晶须形式，据信是造成本专利技术的氮化硅陶瓷体的高断裂韧性和高断裂强度的主要原因。所有有关氮化硅晶须，单晶拉长的晶粒或晶须，以及单晶氮化硅晶须，均是同义的，可以互换使用。在起始粉末中，可以含有任意数量的转化助剂，只要它是以造成起始氮化硅向β-氮化硅的基本上完全的转变，并产生本专利技术的韧性氮化硅陶瓷体。转化助剂的量，在粉末混合物的总重量的0.2%-29.5%(重量)的范围内是有利的，该范围希望的是1.0%-10.0%(重量)，优选的是1.7%-8.5%(重量)。合适的转化助剂来源于钇、钪、锕、镧、锂、钠、钾、铷、铯或钫。氧化钇，氧化钪，氧化镧，氧化锕、或氧化钠是有利的转化助剂。氧化钇是优选的转化助剂。转化助剂的量也应该足够，以提供一个转化助剂对二氧化硅的重量比，也可产生大于5MPa(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氮化硅陶瓷体的工艺，该陶瓷体的断裂韧性大于６ＭＰａ（ｍ）１／２，并且含有占优势的β－氮化硅晶须，该晶须具有高平均纵横比，该工艺包括：使一种粉末混合物包括：（ａ）氮化硅的量足以供给陶瓷体；（ｂ）二氧化硅的量，足以促进粉末的 致密化，所说的量占粉末混合物总重量的１％－２８％（重量）；（ｃ）一种转化助剂的量，足以完成起始氮化硅向β－氮化硅的基本上完全的转化，所说的量占粉末混合物总重量的０．２％－２９．５％（重量），该转化助剂来源于钇、钪、锕、镧、锂、钠、钾、铷 、铯或钫；以及（ｄ）至少一种晶须生长加强化合物，其量足以促进β－氮化硅晶须的形成，所说的量占粉末混合物总重量的０．０１％－５％（重量），所说的化合物来源于钙、钠、钾、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锶、锆、铌、钡、镧、及其混合物 ，或者镓、铟、铪、钽和硼的氧化物，但是，如果某种元素用作晶须生长加强化合物则它不能同时用作转化助剂。至少在１７５０℃的温度如至少在２０．７ＭＰａ的压力的条件下，足以使粉末混合物致密化，就地形成平均纵横比至少为大约２．５的β－氮化硅晶须， 并且制备断裂韧性大于大约６ＭＰａ（ｍ）１／２的氮化硅陶瓷体，存在的β－氮化硅晶须的量是至少２０％（体积），用扫描电镜在氮化硅陶瓷体的一个平面上观察测出。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：AJ派兹克，BM派兹克，
申请(专利权)人：陶氏化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]