一种氮化硅陶瓷球的制备方法技术

本发明专利技术提供一种氮化硅陶瓷球的制备方法，该制备方法包括如下步骤：（1）将氮化硅和烧结助剂混合、造粒、冷等静压成型处理，得到氮化硅陶瓷球素坯；（2）在步骤（1）得到的素坯表面涂隔离层，干燥后放入玻璃容器，经热处理后，在真空下进行氢氧火焰焊封，焊接点加入与所述玻璃容器相同的材料，得到玻璃容器包封的素坯；（3）在无压状态下，将步骤（2）得到的玻璃容器包封的素坯放入坩埚，先进行升温至玻璃容器软化，然后在氮气或氩气保护下，进行热等静压烧结，即得。采用本发明专利技术的制备方法制备得到的氮化硅陶瓷球具有致密性高、晶粒均匀、性能优异、工艺操作简单、可实现产业化等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工程陶瓷制备领域，具体涉及，特别涉及一种玻璃容器包封热等静压工艺制备高性能、大尺寸氮化硅陶瓷球的方法。
技术介绍
氮化硅陶瓷具有低密度、高强度、高刚度、高硬度、低膨胀系数、耐腐蚀等优异的性能，在工程陶瓷领域中广泛应用。氮化硅陶瓷本身具有自润滑特性和剥落失效特性，使得其作为轴承滚动体可以显著提高轴承转速、轴承等级、轴承寿命，因此，采用氮化硅陶瓷作为滚动体的混合轴承在航天、能源、机械等领域具有广泛的应用前景。氮化硅是强共价键化合物，扩散系数小，可烧结性差。为了获得致密度高、组织均匀的氮化硅烧结体，一般加入适当的添加剂(如Mg0、Al203、Y203、La203、Yb203、Ce02等)作为 烧结助剂促进致密化烧结。目前普遍采用的致密化烧结工艺有热压(HP)和气氛压力(GPS)烧结工艺。采用热压(HP)烧结氮化硅材料，其性能存在各向异性、同时单位成本高，材料利用率低，难以进行批量化生产；采用气氛压力烧结(GPS)氮化硅材料，存在显微结构不均匀，晶粒间存在气孔、裂纹等缺陷，减小了材料的力学性能、抗疲劳特性以及材料的可靠性。热等静压(HIP)工艺克服了热压烧结工艺和气氛压力烧结工艺所存在的缺陷。热等静压(HIP)烧结氮化硅工艺采用较少的烧结助剂，在高温高压下促进材料致密化，同时消除晶粒间的气孔、裂纹等缺陷，并能抑制晶粒的异常长大，获得组织均匀、性能优异、各向同性的氮化硅材料。目前针对陶瓷的热等静压(HIP)烧结工艺，主要是采用包封后进行高温高压烧结的方法。包封材料有高熔点金属(如金属Ni、Mo等)、玻璃、陶瓷等多种材料。中国专利申请200910055161. X公开了一种采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球的方法，该方法将氮化硅和助剂混合，经成型、冷等静压处理得到坯体，然后在坯体表面用溶液浸溃法涂覆一层石墨隔离层，干燥后放入坩埚内，周围埋封碎玻璃，升温至110(Tl90(rC，使玻璃熔化形成完整包封，然后加压10(T200Mpa，升温至170(Tl90(rC，保温f3h后进行热等静压烧结，得到氮化硅陶瓷球。氮化硅陶瓷球尺寸直径为5飞0_，显微硬度为 1510^1600 Kg/mm2，断裂韧性为 5. 0 7. 8 MPam1720中国专利申请200410014284. 6公开了一种玻璃包覆热等静压制备高性能氮化硅陶瓷的方法，该方法将氮化硅制品素坯用侵入提拉法，在其表面涂有保护层，防止高温下玻璃浸入氮化硅制品中，将氮化硅制品素坯埋入玻璃粉中，在热等静压炉中抽真空、加热，玻璃在高温下熔融，包覆了氮化硅制品素坯，然后再加压，得到氮化硅陶瓷，其致密性好，组织均匀。中国专利申请200610030103. 8公开了一种大尺寸陶瓷球的制备方法，包括混料、成型和烧结，该方法以氮化硅和添加剂为原料，氮化硅粉和添加剂的质量配比为100 15 5，所述的添加剂包括Y203、A1203、La203、CeO20按上述质量配比称取原料，采用球磨的方法混合均匀，干压成型，然后进行冷等静压处理，所得坯体采用玻璃包套工艺在氮气或氩气的保护下进行热等静压烧结，保温一段时间，烧结结束后控制降温，得到产品。显微硬度为1500 1550 Kg/mm2，断裂韧性为 5. 4 6. 3 MPam1720目前，在氮化硅陶瓷球制备领域中，其产品存在气孔率多、有裂纹、致密性差、组织不均匀、性能低等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高性能、大尺寸氮化硅陶瓷球的制备方法，该方法具有工艺操作简单、可实现产业化等优点。该方法制备的氮化硅陶瓷球致密性高、晶粒均匀、性能优异、可靠性高。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，该制备方法包括如下步骤(I)将氮化硅和烧结助剂混合、造粒、冷等静压成型处理，得到氮化硅陶瓷球素 坯；( 2 )在步骤(I)得到的素坯表面涂隔离层，经热处理后，放入玻璃容器，在真空下进行氢氧火焰焊封，焊接点加入与所述玻璃容器相同的材料，得到玻璃容器包封的素坯；(3)在无压状态下，将步骤(2)得到的玻璃容器包封的素坯放入坩埚，先进行升温至玻璃容器软化，然后在氮气或氩气保护下，进行热等静压烧结，即得。优选地，按质量百分比计，氮化硅为92% 98%，烧结助剂为2% 8%。优选地，所述的烧结助剂采用MgO、A1203、Y2O3> La2O3> Yb2O3> CeO2, Lu2O3 和 Eu2O3 中的一种或多种；优选为A1203、Y203。优选地，在步骤(I)中，所述冷等静压成型处理的压力为10(T250MPa;优选为15(T220MPa。优选地，在步骤(2)中，所述隔离层为氮化硼或石墨。优选地，在步骤(2)中，所述玻璃容器为石英玻璃容器、硼硅酸盐玻璃容器、高硅氧玻璃容器或硅酸铝玻璃容器；优选地，所述玻璃容器的软化温度为i00(Ti40(rc。优选地，在步骤(2)中，所述热处理的温度为90(Tl30(rC，保温时间为0. 5 3h。优选地，在步骤(2)中，真空度为10—1 10_3Pa，优选为10_2Pa。优选地，在步骤(3)中，所述热等静压烧结的温度为170(T200(TC，保温时间为0. 5 5h，氮气或氩气的压力为50 250MPa。根据本专利技术上述制备方法制备得到的氮化硅陶瓷球直径为25 80mm。具体性能指标如下致密度高于99. 8% ;显微硬度高于1500 Kg/mm2 ;抗弯强度高于900 Mpa ;断裂韧性为6 9MPam1/2 ;韦布尔模数高于15。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果(I)采用本专利技术的制备方法制备得到的氮化硅陶瓷球具有致密性高、晶粒均匀、性能优异、工艺操作简单、可实现产业化等优点；(2)本专利技术采用玻璃容器包封，同时在真空下进行氢氧火焰封焊，形成无孔隙的完整包封，有利于达到完全致密化，从而有利于制备大尺寸的氮化硅陶瓷球(025 80mm)；(3)采用本专利技术的制备方法制备得到的氮化硅陶瓷球具有优异的性能，其相关性能检测如下致密度为> 99.8%，显微硬度> 1500Kg/mm2，抗弯强度> 900Mpa，断裂韧性为6、MPam1/2，韦布尔模数彡15。该性能有利于提高轴承抗冲击性能，延长疲劳寿命，同时保证氮化硅陶瓷轴承球的可靠性。具体实施例方式以下参照具体的实施例来说明本专利技术。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本专利技术，其不以任何方式限制本专利技术的范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。实施例I将氮化娃和烧结助剂的配方，按质量百分比计，Si3N4 98wt%、Y2O3 lwt%> Al203lwt%进行均匀混合，造粒后，在150MPa下，保持压力3min，进行冷等静压成型处理得到的氮化硅陶瓷球素坯。然后在该陶瓷球素坯表面涂上一层氮化硼保护膜，经升温至1000°C，保温Ih的热处理后，放入石英玻璃容器中，在保证真空度为10_2Pa的情况下，进行氢氧火焰真空封 焊，焊接点加入石英玻璃材料。将封好的玻璃容器放入石墨坩埚中，并装入热等静压(HIP)炉，升温至1400°C后开始充入氮气，然后升温至2000°C，同时加压200MPa，经保温保压4h热等静压烧结后，即得到氮化硅陶瓷球。采用上述工艺制备的0>25mm的氮化硅陶瓷球经性能检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化硅陶瓷球的制备方法，该制备方法包括如下步骤：（1）将氮化硅和烧结助剂混合、造粒、冷等静压成型处理，得到氮化硅陶瓷球素坯；（2）在步骤（1）得到的素坯表面涂隔离层，干燥后放入玻璃容器，经热处理后，在真空下进行氢氧火焰焊封，焊接点加入与所述玻璃容器相同的材料，得到玻璃容器包封的素坯；（3）在无压状态下，将步骤（2）得到的玻璃容器包封的素坯放入坩埚，先进行升温至玻璃容器软化，然后在氮气或氩气保护下，进行热等静压烧结，即得。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：茹敏朝，张伟儒，张哲，曾俐，丁艳，徐鹏，庄新江，
申请(专利权)人：北京中材人工晶体研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：