高致密氮化硅反应烧结体的制备方法技术

本发明专利技术属于氮化硅陶瓷制备方法，它集中反应烧结法，重烧结法及气氛加压法的优点于一体，快速制备高致密氮化硅陶瓷。首先将硅粉或硅粉与氮化硅粉混合物和添加物混和后制成压块，在压块上涂以Ｓｉ－［３］Ｎ－［４］、ＢＮ和ＳｉＯ－［２］组成的泥浆后，在１１００～１５００℃于Ａｒ、Ｈ－［２］、Ｎ－［２］混合气体中多阶段氮化，混合气体压力为０．０１～３０大气压，保温结束后继续升温到１８００～２１００℃，保温０．５～１０小时，炉内压力为５～１００大气压。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于高致密氮化硅反应烧结体的制备方法。氮化硅工程陶瓷是制造绝热柴油机和燃气轮机耐热部件的最有希望的候选材料之一。对其制备方法的研究，不断推出新的工艺手段和制备方法。较早期采用的反应烧结法，是将硅粉的成形体或硅粉与氮化硅粉的混合物的成形体，在氮气氛下反应而制成的，具有优良的耐热冲击性、高的硬度和高温下良好的电绝缘性和化学稳定性等优点，可方便地制备形状复杂、尺寸精确的部件，最大的缺点是制得的材料气孔率高，机械强度低，一般抗弯强度仅为200～300MPa，很难满足热机部件的要求，且生产周期长。前几年，日本特许昭59-207876，59-207878报导了采用超细硅粉(平均粒径小于0.15μ)，添加一定量的B和Fe等元素制成压块，经Ar气氛预烧然后再在1350～1410℃温度下氮化的反应烧结法，所得高致密氮化硅反应烧结体的最高密度可达理论密度的91-94%，抗弯强度600-610MPa，但反应烧结时间仍为100-170小时，仍存在生产周期长和需要使用超细原料的缺点。重烧结方法(U.S.P，4，351，787、CNP85100506B)既具有反应烧结又具有热压烧结法的优点，可用于制备形状复杂的高致密部件，但需分二个阶段烧结，先后在两种不同烧结炉中进行，生产周期长。近几年来，新开发的气氛加压烧结法是一种制备高致密氮化硅烧结体的新工艺，易于把含有一定量添加物的氮化硅压块烧结并致密化(U.S.P.4，374，792)但需要使用超细高纯的氮化硅粉末所以成本昂贵。本专利技术的目的在于提供一种集既有反应烧结方法，气氛加压烧结法以及热压法的优点于一体的快速反应烧结方法制备氮化硅陶瓷，材料性能优良生产周期短而又能制造复杂形状的制品。具体地说，用本专利技术提供的方法，与日本特许昭59-207876，59-207878相比，反应烧结时间明显缩短而性能又与之相当;与重烧结方法、气氛加压烧结法相比，又具有生产成本低、周期短不需要使用超细高纯Si3N4粉末以及制品尺寸精度高，加工余量小，适于制造复杂形状等优点。本专利技术采用y2O3(或CeO2)0.5-20%，La2O30.5-25%，Al2O30.1-15%为添加物(优选推荐量是y2O3或CeO23-10%La2O35-20%，Al2O31-6%)或者采用y2O3(或CeO2)1-25%，Al2O30.1-12%，SiO20.1-10%为添加物(优先推荐量为y2O3或CeO23-15%，Al2O31-8%，SiO21-6%)(均为重量百分数)，余量为纯度大于97.5%的硅粉，其粒度为0.1-20μm。硅粉和添加物按一定比例混和后，采用等静压、挤压或注射成型等任何一种工艺制成素坯压块(密度＞1.5g/cm3)，在压块上涂以由Si3N4、BN和SiO2粉末组成的泥浆，其中BN含量为1-30%，SiO2含量为0.1-10%，余量为Si3N4(均为重量百分数)然后在气氛加压烧结炉中，于1100-1500℃保温8-30小时多阶段氮化(优先推荐14-22小时)，同时在炉内通以N2、Ar和H2的混合气体，气体压力为0.01-30大气压(优先推荐压力为0.1-15大气压)，保温结束后继续升温到1800-2100℃，保温0.5-10小时(优先推荐2-6小时)，此时炉内压力为5-100大气压(优先推荐压力为10-50大气压)。用本专利技术所述的方法制备的氮化硅陶瓷，具有高致密和快速二个特点，具有生产周期短，材料性能稳定，工艺重复性好以及可制备形状复杂的部件等优点。由于采用了特殊组分的添加物与硅粉混匀后压块再涂以由Si3N4、BN和SiO2组成的泥浆，先反应烧结然后在1800～2100℃温度下气氛加压烧结，所以本专利技术提供的方法明显地优于一般反应烧结法。气氛加压法和重烧结法，是一种把几种现有工艺的优点集于一体的新制备方法，实用化极为有价值。用本专利技术提供的方法可制备绝热机活塞顶、柴油机用涡流式镶块，也可用于制造车刀、喷咀、密封件等耐磨材料。值得指出的是，本专利技术提供的方法中所述的纯度为97.5%以上的硅粉也可以用硅粉(纯度97.5%以上)和氮化硅粉末的混和物取代，氮化硅纯度为＞98%，Si粉和Si3N4粉末的比例为20∶1-3∶2(重量比)。本专利技术的实施例1是采用y2O3、La2O3、Al2O3组成的添加物，具体组分是将73%硅粉(纯度高于97.5%)和6%y2O3(或CeO2)、18%La2O3、3%Al2O3(均为重量)均匀混和，硅粉的最大颗粒的直径为20μ，平均粒径为3.5μ，用等静压成形，成形压力为2T/cm2，试样上涂以由88%Si3N4、10%BN和2%SiO2(均为重量)组成的泥浆之后，在N2、Ar和H2的混合气体中于1250-1450℃加热保温18小时，多阶段氮化制成反应烧结氮化硅，各个温度下具体保温时间为1250℃ 6小时，1350℃ 8小时，1450℃ 4小时。气体压力由0.01-15大气压随时间而逐步升高。1450℃4小时保温结束后，继续升温到1900-1920℃，保温4小时，前2小时压力为15大气压，后2小时压力为30大气压。制得的反应烧结氮化硅性能如下密度(g/cm3)3.24晶相(X分析)β-Si3N4+K相显气孔率(%)0.5抗弯强度(20℃，MPa)650硬度(HRA)92实施例2.除采用添加物不同于实施例1之外，其余工艺过程和参数均和实例1相同。试样组成为硅粉80%、y2O313%、Al2O335%、SiO22%(均为重量)。制得的反应烧结氮化硅性能如下密度(g/cm3)3.20晶相(X分析)β-Si3N4+y2SiO5显气孔率(%)0.6抗弯强度(20℃，MPa)600硬度(HRA)91.5实施例3.试样采用Si粉和Si3N4粉混和物取代纯Si粉，其余均与实施例1相同。Si∶Si3N4＝6∶1，制得的反应烧结氮化硅性能如下密度 g/cm33.20晶相(X分析)β-Si3N4+K相显气孔率(%)2.0抗弯强度(20℃，MPa)600硬度(HRA)90该配方可制造厚度25mm以上的样品。权利要求1.一种，首先将硅粉或硅粉与氮化硅粉混合物和添加物混和后制成压块，其特征在于(1)在压块上涂以Si3N4、BN和SiO2组成的泥浆，BN含量为1-30，SiO2为0.1～10，余量为Si3N4(重量%)；(2)然后于N2、Ar和H2的混合气体中，1100～1500℃，保温8～30小时多阶段氮化，混合气体压力为0.01～30大气压，压力随氮化温度升高而增加。(3)保温结束后继续升温到1800～2100℃，保温0.5～10小时，炉内气体压力为5～100大气压。2.按权利要求1所述的快速制备方法，其特征在于添加物(重量%)为(1)y2O3(或CeO2)0.5-20，La2O30.5-25，Al2O30.1-15或(2)y2O3(或CeO2)1～25，Al2O30.1～12，SiO20.1～10。3.按权利要求1或2所述的快速制备方法，其特征在于添加物(重量%)为(1)y2O3(或CeO2)3-10，La2O35-20，Al2O31-6，或(2)y2O3(或CeO2)3～15，Al2O31-8，SiO21～6。4.按权利要求1所述的快速制备方法，其特征在于所述的硅粉与氮化硅粉混合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高致密氮化硅反应烧结体的快速制备方法，首先将硅粉或硅粉与氮化硅粉混合物和添加物混和后制成压块，其特征在于（１）在压块上涂以Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］、ＢＮ和ＳｉＯ↓［２］组成的泥浆，ＢＮ含量为１－３０，ＳｉＯ↓［２］为０．１～１０，余量 为Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］（重量％）；（２）然后于Ｎ↓［２］、Ａｒ和Ｈ↓［２］的混合气体中，１１００～１５００℃，保温８～３０小时多阶段氮化，混合气体压力为０．０１～３０大气压，压力随氮化温度升高而增加。（３）保温结束后继续升温到１８ ００～２１００℃，保温０．５～１０小时，炉内气体压力为５～１００大气压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：庄汉锐，李文兰，华道权，邬凤英，符锡仁，严东生，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]