氮基陶瓷材料制造技术

发明专利技术论述烧结氮基陶瓷，其中有多型Ｓｉ－ＡＩ－Ｏ－Ｎ相和β型和（或）α型Ｓｉ－ＡＩ－Ｏ－Ｎ相为主要组分．还含有晶间相，依组成复含结晶ＡＩＮ或ＡＩ－［２］Ｏ－［３］．其性质，如耐磨．韧性等，可通过添加硬质耐高温要素和（或）须状材料改进．涂复硬质，惰性，耐磨涂层是另一种改进方法．这种材料适用于抗热冲击，高机械强度，高导热要求的场合．特别适用于切削工具，发动机部件，耐磨部件，热交换器，或电子工业的衬底材料．（*该技术在2005年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术论述一种具有超高温特性，抗热冲击性高且导热性能异常良好的氮基陶瓷材料。此种材料特别适用于用作切削工具材料。本专利技术涉及Si-Al-O-N型一类氮化物陶瓷，其中，细分散的多种类型的沉积物给予此种陶瓷材料的性质以积极的影响。已有许多文章和专利描述到Si-Al-O-N系统(例如《氮基陶瓷进展》一书，F.L.Riley编辑，Martinus Nijheff出版社1983年出版)以及添加过Y2O3之类某种氧化物质的相关系。一般组成为Si6-ZAl2O2N8-Z的六方晶相，其中O＜Z≤4.2，已知是β-Si-Al-O-N，这种材料的晶体结构与β-Si3N4相同。另一类六方晶相的一般组成MX(Si，Al)12(O，N)16，其中O＜X＜2而M＝钇或其他Li.Ca.Mg一类金属以及锆化物或这些金属的混合物。另一些具有适当离子半径的金属也能稳定它的α相。α型Si-Al-O-N的主结构与α-Si3N4相同。但已发现，由于La和Ce的离子半径似乎过大，很难使之成为α型Si-Al-O-N的一部分。Si-Al-O-N系或M-Si-Al-O-N系中的许多相具有可以描述为纤锌矿上层结构的一类结构，在那种上层结构中，AlN结晶化了。字母M如前段所述，表示一种或多种金属，例如Y、Mg、Be、Li或Sc。还可能包括其他具有适当离子半径的金属。这些相，众所周知为多型的，它们在Si-Al-O-N系统中出现于高Al和高N含量所确定的象限中，即接近于AlN角。上述的一种或多种相以后普遍由“多型”记号给出。多型结构多少属良好排列，而可以归之为前述的纤锌矿基本结构(例如，可参看前面提到的那本书)。此种多型相具有六角形的或菱形的晶胞，它们由所谓的Ramsdell符号描述为8H、15R、12H、21R、27R和2H。文献中，此类多型相常根据这些符号描述，例如，记作12H多型材料等。Si-Al-O-N及许多M-Si-Al-O-N系的基础性相分析研究业已在本世纪七十年代进行，并已有大量的象前面提到过的那一类著述。在七十年代初期还有过若干应用β型Si-Al-O-N的专利，其中特别要提到的是东芝(例如美国专利3969125)、丰田(例如美国专利3903230)与Lucas(例如美国专利3991166)。有关以Li形成一种α型Si-Al-O-N的最早一篇文章已于1972年发表，接着有许多其他文章。业已肯定，关系到切削工具材料的元素钇，形成了上述的Si-Al-O-N相(S.Hampshire，H.K.Park，D.P.Thompson and K.H.Jack Nature，Vol 274，1978，P880-882)，而且很早就指出过，α型Si-Al-O-N有可能给工艺部门带来利益。例如，适才三位作者在“α型硅铝氧氮陶瓷”(Science，Vol10，1980，P251-256，H.Hausnlr主编)一文，进而在英国专利2118927A中描述到，α型和β型的Si-Al-O-N是可能按某些组成制得的。该项专利涉及到具有α型Si-Al-O-N相、β型Si-Al-O-N相和一种玻璃相的，硅铝氮氧化合物型的陶瓷切削材料。这种材料的许多优点，例如在切削中的优点，根据本专利技术，出人意料地发现存在于含多种晶型的Si-Al-O-N材料中，而这是过去从未报导和提出过的。上面描述的这种Si-Al-O-N材料可以在某些情形下通过如下工艺获得，即在不加压的条件下烧结Si3N4及一定量的二氧化硅，在其表面上有(通常是)少量的Al2O3和作为少量添加物的金属氧化物、氮化物或氮氧化物。例如Y、Ca、Mg、Be和镧系元素等氧化物、氮化物或氮氧化物或它们的混合物。这类添加物起着烧结辅助剂的作用，并与SiO2和(或)Al2O3一起，在这种陶瓷材料的烧结温度下，形成一种在晶体间的高熔玻璃相。此外，其他类似的成形玻璃用的金属之类似化合物也可以用作烧结辅助剂。典型的例子是可以氧化物、氮氧化物或氮化物形式添加的Zr和Hf，由此形成高熔和高强的玻璃。还有，易于在氮气氛中加热而形成氮化物的金属，可以用作为烧结辅助剂的一种组份，例如Si、Mg与Cr玻璃相的数量自然要足够用来烧结陶瓷的原始材料。为了使一种陶瓷材料具有(例如)最佳的切削性质，玻璃相的数量必须很小，但又不能小到使这种材料丧失其韧性。也已知道，某些金属例如Ca、Mg、Fe等会减低玻璃相的软化温度。为了获得具有最佳高温性质的玻璃相，于是这类元素在玻璃相中的含量必须小到，此种Si-Al-O-N材料不会丧失其优良性质，尤其是在将其用作切削工具材料时。应该强调，上述玻璃相的全部组成，不论是对陶瓷材料的致密化工艺还是对烧结材料的性质，那会有显著影响。因而重要的是，要考虑到这种陶瓷材料的使用条件，仔细地选择烧结辅助剂(或它们的混合物)。例如，添加Mg这一成份，将获得较易于处理而又能用作耐磨部件的陶瓷材料。但是，这样的材料将缺少良好的高温性质。为了这样一项任务，必须采用能给出高熔、高强玻璃的Y、Zr和镧系元素等一类元素。最后，通过选择烧结辅助剂，可以按照所希望的方向控制其他晶相的形成，因为，M-Si-Al-O-N相的各种系统看来并不相同。要是采用不同元素的混合物，就能获得各种各样的可能性。例如，在烧结混合物中采用La和Ce一类元素，就能影响到α型Si-Al-ON的形成。除了上述的玻璃相之外，也可以形成其他晶间相，其中存在着来自烧结辅助剂的金属。一般地说，这些相是(例如)钇的硅酸盐或铝硅酸盐，或是还含有氮的类似结构，例如YAG(钇铝石榴石)、N-YAM或YAM(钇铝黄长石)，b相(YAG的一种畸变形式)，以及结构与磷灰石相同的相。类似的相还出现于不同于Y-Si-Al-O-N的其他系统中，例如具有Ca和Be的对应系统中。在烧结辅助剂中有其他金属时，就可能出现其他晶相，他们具有不同于上述的其他类型结构。烧结辅助剂的这种富金属相，可继以(例如)热处理使其较大一部分从玻璃相转变为晶相。利用这种方法，可以使玻璃相大大减少。前述文献中已有报导，在金属铝石榴石中，采取这种使玻璃相转变为结晶相的方法来减少玻璃相的数量后，可以使这种材料有可能作高温应用，例如用作发动机部件。在钇的情形，此类石榴石为YAG或b相。在Si-Al-O-N材料中，打算用作切削工具时则并不总是有利的，这是由于材料的韧性破坏了。上述玻璃相的其他性质，例如显微硬度，也可以由于将稀土金属或铍的氧化物、氮氧化物或氮化物，添加到通常采用的Y2O3中而改变。这种处理特别有利于此种陶瓷材料的高温性质。以Si3N4和Si-Al-O-N为基础的材料，例如，在用作金属切削的切削工具材料方面，过去十年中已日益使人重视。市场上作为切削具材料的Si-Al-O-N材料可以分成两种主要类型β型Si-Al-O-N材料和混合式的(α+β)型Si-Al-O-N材料。它们之所以具有优良的切削性质，据认为是由于Si3N4的热膨胀性小同时存在能产生优异的韧性之高粘性玻璃相。这一事实加上导致高温强度与硬度的显微结构，形成了切削应用中极关重要的许多性质。也已知道，添加氮化钛或碳化钛之类耐高温的硬质的要素，能够提高Si-Al-O-N材料的耐磨性能与导热率，这种材料的烧结结构中含β型Si-Al-O-N和一种晶间相或(β本文档来自技高网...

【技术保护点】
以氮化硅、氮化铝和氧化铝为基础的陶瓷材料，其特征为，此种陶瓷材料包含有多型的Ｓｉ－Ａｌ－Ｏ－Ｎ和一种α型Ｓｉ－Ａｌ－Ｏ－Ｎ相和（或）一种β型的Ｓｉ－Ａｌ－Ｏ－Ｎ相和（或）一种结晶的ＡｌＮ相和（或）Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］和（或）一种可部分结晶的晶间相。

【技术特征摘要】
书中，所出现的各种相乃是根据本发明制得的材料的组成部分。1.β型Si-Al-O-N一种六角形相，晶体结构与β型Si3N4相同。可以述为一般式Si6-jAIjOjN8-j，其中O＜j＜4.2。出现在所论材料中的相为结晶形式，可以根据它的特征X射线射图析测出。2.α型Si-Al-O-N一种六角形相，晶体结构与α型Si3N4相同。可以描述为一般式Mx(Si，Al)12(O，N)16其中O＜X＜2。金属M可以是Y、Li、Ca、Mg和镧系元素或这些金属的混合物。其他具有适当离子半径的金属也可以稳定此α型相。这些相可据X射线衍射测定。3.α型Si3N4与β型Si3N4是Si3N4的两种未取代形式。此外，结晶AIN也是未取代的，具有纤锌矿型的结构。4.多型Si-Al-O-N系或M-Si-Al-O-N系中许多相的集合名词，它们的晶体结构与AIN的纤锌矿结构特征密切相关，但有大得多的晶胞。金属M可以是Y、Li、Ca、Mg、Be、Sc和镧系元素或这些金属的混合物。不过，其他具有相似大小和相似结构行为的其他元素，也可以或多或少地进入此M-Si-Al-O-N多型的纤锌矿结构中，所有的这些多型相都可以在高铝和高氮含量表征的象限，即在接近AIN角的区域中，从Si-Al-O-N系统中找到。这在M-Si-Al-O-N系中也是如此，其中可以找到取代的形式。所有这些多型都具有广延了的可溶性区域，并且可以有随烧结温度改变的Al/Si比和O/N比。在很高的温度下，这些多型将形成于Al-O-N系以及M-Al-O-N系中。在有利的条件下，可以形成排列良好的结构，但由于所有多型的晶体结构都与纤锌矿的结构密切相关，故存在有某些结构的无序性。因此，这类相常常不能用X射线衍射法毫不含糊地表征为仅仅是某一种多型结构，即使是可以测出多型相的存在时也是如此。5.YAG(钇铝石榴石)一种立方形相，分子式为Y3Al5O12可以出现某种以Si对Al的取代和同时以N置换O。因此，这种结构可以畸变到使其X射线衍射图对应到对称性低于立方形的一种相，例如b相。也可以与其他烧结金属构成与之相似的金属铝石榴石。6.YAM(钇铝黄长石)一种单科晶相，分子式为Y4Al2O9，可以与N-YAM(Y4Si2O7N2)形成固溶液的连续系列。7.在M-Si-Al-O-N型的系统中，可以出现晶体结构与磷灰石矿或硅灰石矿相同的相。M为Y时的一个例子是一种具有分子式为YSiO2N的硅灰石型的单斜晶相。此外，取决于烧结辅助剂中所用的金属，也可以出现其他结晶相，如Si-Al-O-N系中的X相或其他类型的晶体结构。8.晶间相或相的混合物形成于烧结成M-Si-Al-O-N系统的过程，此时存在有一种特殊的烧结辅助剂，如Al2O3、SiO2和(或)M的氧化物、氮化物或氮氧化物，M代表Y、Ca、Sc、Mg、Be或镧系元素，或它们的混合物。其他形成玻璃之金属的类似化合物也可用作烧结辅助剂。晶间相在烧结过程中为液态的。它在冷却时固化为玻璃相，但还固化为其他一些相，如上面第五至第7款中所叙述的YAG等，通过热处理，此种液相的主要部分在烧结时能转变为这样的晶相，其中玻璃相的比例是很低的。这些晶相可以由X射线衍射法测定。权利要求1.以氮化硅、氮化铝和氧化铝为基础的陶瓷材料，其特征为，此种陶瓷材料包含有多型的Si-Al-O-N和一种α型Si-Al-O-N相和(或)一种β型的Si-Al-O-N相和(或)一种结晶的AlN相和(或)Al2O3和(或)一种可部分结晶的晶间相。2.根据权利要求1所述的陶瓷材料，其特征为，此种材料包含一种多型的Si-Al-O-N和一种α型的Si-Al-O-N相和(或)一种β型的Si-Al-O-N相以及一种晶间相，由它他烧结成的结构按体积百分率含有0.5-70%的多型相、20-99%的α型相和(或)5-...

【专利技术属性】
技术研发人员：托米克拉斯艾克斯特罗姆，尼尔斯安德斯英格尔斯特罗姆，
申请(专利权)人：桑特拉德有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]