一种断裂韧性高的自增强氮化硅陶瓷及其制备方法技术

一种断裂韧性高的自增强氮化硅陶瓷体的制备方法，包括在达到致密化的条件下热压含氮化硅、氧化镁、氧化钇和β－氮化硅晶须的一种生长增长化合物的粉末混合物，直接生成具有高纵横尺寸比的β－氮化硅晶须。本发明专利技术公开的断裂韧性高和断裂强度高的新型氮化硅陶瓷含有：β－氮化硅结晶相，该相中至少２０％（体积）呈晶须形式，该晶须的平均纵横尺寸比至少为２．５，第二相玻璃相，该相含有镁源、如氧化镁，钆源、如氧化钇、化合物，如二氧化钛、二硼化铌或氧化锶，它能促进β－氧化硅晶须的生长以及总量不大于３５％（重量）的二氧化硅，不大于１０％（总重量）的其它相。该玻璃相还可以含有少于５．０％（重量）（以该陶瓷的总重量计）的氮化铝或氮化硼。（*该技术在2009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)陶瓷及该陶瓷的制备方法。人们公认氮化硅陶瓷具有极好的机械性能和物理性能，包括良好的耐磨性、低的热膨胀系数。良好的抗热震性、高的抗蠕变力和高的电阻率。此外，氮化硅陶瓷能耐化学腐蚀，特别是具有抗氧化的性能。因此氮化硅可适用于各种耐磨和耐高温的用途，如作切削刀具，泵和发动机中的零件。氮化硅陶瓷的断裂通常与脆性和裂缝有关。因此本专利技术的目的是要制备一种具有高断裂韧性(KIC)和高强度的氮化硅陶瓷。断裂强度与断裂韧性成正比，而与裂缝大小的平方根成反比。因此高断裂韧性与小的裂缝相结合是很理想的。可是，单体氮化硅具有的断裂韧性比较低，约为5MPa(m) 。美国专利4，543，345提及将碳化硅晶须加入陶瓷材料中增加陶瓷断裂韧性。碳化硅晶须具有单晶体结构，其尺寸范围为直径约0.6μm，长约10～80μm。但是，在氮化硅陶瓷中，该方法不能使其明显增韧。并且，使用碳化硅晶须还会造成严重的加工问题。该晶须具有聚集和沉淀的倾向。要是不破坏晶须的长度而使该晶须解聚是困难的。此外，该晶须难于制造;例如，它们具有易变特性，而且是昂贵的。若能得到一种无需有碳化硅晶须而具有高断裂韧性的氮化硅陶瓷将是很理想的。美国专利US4，669，890公开了一种高度致密的氮化硅烧结体及这种烧结体的制备方法，该烧结体含有预定量的氧化钇(Y2O3)，氧化镁(MgO)和氧化铈(CeO)。各组分的量(以烧结体的重量计)为Y(以Y2O3的量计)2～15%，Ce(以CeO的量计)1～10%，Mg(以MgO的量计)1～10%，Si3N475～95%。如US4，669，890中的表Ⅰ所示，该烧结体的室温机械强度(四点弯曲试验)为670～750MPa。断裂强度(室温)为825MPa或更高、断裂韧性约大于6MPa(m) 的一种氮化硅陶瓷将是很理想的。美国专利US4，025，351及有关美国专利4，025，351公开了一种氮化硅基陶瓷，该陶瓷是由含60～92摩尔%氮化硅和其余量的金属氧化物的粉末混合物制成的。金属氧化物组分包括MgO、ZnO和NiO中的至少一种、以及Al2O3、Cr2O3、Y2O3、TiO2和SnO2中的至少一种。第一组组份与第二组组份的摩尔比为1∶9～9∶1。在第一种实施方案中，在1600～1800℃加热已混合的金属氧化物2～3小时。在第二种实施方案中，先将已混合的金属转变成尖晶石，然后研磨，再与氮化硅混合，并进行烧结。在氮化硅基陶瓷中也可含有少量的CaO或CoO。美国专利4，406，668公开了一种含有致密氮化硅基体的涂层陶瓷刀具，基体上至少有一层硬质粘附涂层，该涂层基本上由一种耐火的金属氮化物组成。该基体实质上由第一氮化硅相和第二耐火相组成，第二相中含有氮化硅和有效量的单一的致密化添加剂。该致密化添加剂选自二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化锆、氧化铪、镧系稀土氧化物及其混合物。该涂层是钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽、钨的一种氮化物或其混合物。已经知道玻璃相(第二相)颗粒界面的晶化能增加热压氮化硅陶瓷的高温强度。这表明热压复合材料中含有β-氮化硅和结晶的Si3N4·Y2O3第二相，如Akihiko Tsuge等人在Journal of the American Ceramics Society，58，323-326(1975)中报导的。但是这种氮化硅的断裂韧性仅为5-6MPa(m) 。还知道高纵横尺寸比的β-氮化硅的存在能增加氮化硅陶瓷的断裂韧性，如F.F.Lange，在Journal of the American Ceramics Society，62(12)，1369-1374，(1983)中所述。“纵横尺寸比”的定义为晶须的长度与晶须的直径或宽度之比。因此，具有高纵横尺寸比的晶须实质上是纤维质的。若这些晶须也是高强的，在该晶须四周裂缝处必须是弯弯曲曲的扩展，从而导致了高断裂韧性。高于1600℃时，α-氮化硅会转变成β-氮化硅;但是，β相沉淀物的结晶通常为具有低纵横尺寸比的等轴晶粒和细长晶粒的混合物。重复控制纵横尺寸比是个难题。一般，现有技术没有记载氮化硅陶瓷的纵横尺寸比和断裂韧性。例如，美国专利4，279，657公开了一种含氮化硅和氧化镁的粉末状分散剂，经热压能生成透光的氮化硅陶瓷，已公开该陶瓷含有高于50%(重量)的β-氮化硅，其粒度约为1μm-10μm，但一般小于5μm。该专利提到该陶瓷含有总量约大于0.1%(重量)的杂质，如钙是不希望有的。美国专利4，227，842公开的一种切削刀具基本上由β相氮化硅和氧化钇组成。通过热压一种α氧化硅和氧化钇的粉末混合物而得到100%理论密度的陶瓷从而制成该刀具。美国专利4，652，276提及的一种切削刀具包含基本上由β-氮化硅组成的粒相和一个颗粒内无定形相，该颗粒内无定形相实质上由下列成分组成约0.5～10%(重量)的氧化镁、约2.5～10%(重量)的氧化钇、约少于2.5%(重量)的二氧化硅，其余为少于5%(重量)的杂质如铝。该刀具是通过热压制成的。若能得到高断裂韧性和高断裂强度的氮化硅陶瓷将是很理想的。如果不外加事先制得的碳化硅增强晶须就能制备这种高强氮化硅陶瓷的话将是有利的。而且很希望有一种能重复、廉价的并适于工业规模的方法用以制造这种韧性的和高强的氮化硅陶瓷。本专利技术一方面提供了主要含有平均纵横尺寸比高的β-氮化硅晶须的自增强陶瓷的制备方法。该方法包括制备一种粉末混合物，该粉末混合物含有下列成分(a)氮化硅，其量足以形成陶瓷体;(b)一种镁源，其量足以促进该粉末的致密化;(c)一种钇源，其量足以促进氮化硅原料基本上完全转变成β-氮化硅;和(d)至少一种晶须生长增长化合物，其量足以加速β-氮化硅晶须的生成，该化合物为选自钙、钠、钾、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锶、锆、铌、钡和镧的一种元素的衍生物。在达到致密化的条件下热压该粉末混合物，生成平均纵横尺寸比高的β-氮化硅晶须。这样就可以生成一种自增强氮化硅陶瓷，用下文所述的Chevron notch方法测得该陶瓷的断裂韧性大于6MPa(m) 。对于本专利技术来说，“高”平均纵横尺寸比意思是指平均纵横尺寸比至少为2.5。该粉末混合物可选择性的含有氮化铝或氮化硼，其量以粉末混合物的总重量计为0.01～5%。本专利技术另一方面提供了一种断裂韧性大于6MPa(m) 的氮化化硅陶瓷，用下文所述的Chevron notch方法测定陶瓷体的断裂韧性，该陶瓷体含有(a)β-氮化硅结晶相，用扫描电子显微镜在一个平面内测得其量至少为20%(体积)，呈晶须状，其平均纵横尺寸比至少为2.5;和(b)玻璃相，其量不大于总重量的35%，该相含有一种镁源(如氧化镁)，一种钇源，(如氧化钇)，二氧化硅和一种β-氮化硅晶须生长增长化合物，该化合物可为选自下列元素的衍生物，该元素为钙、钠、钾、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锶、锆、铌、钡和镧。该玻璃相可选择性的含有至多为玻璃相重量的15%的氮化铝或氮化硼。第三方面，本专利技术提供了一种含有上述氮化硅陶瓷的切削刀具。意想不到的是本专利技术的氮化硅陶瓷的断裂韧性大大高于现有技术的单体或晶须增强的氮化硅陶瓷。若本专利技术的氮化硅陶瓷的断裂韧性相对于密度来说是标准的话，在公知的本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备氮化硅陶瓷的方法包括：制备含下列成分的粉末混合物：（ａ）氮化硅，其量足以制成陶瓷体；（ｂ）镁源，其量足以促进该粉末的致密化；（ｃ）钇源，其量足以加速氮化硅原料基本上完全转变成β－氮化硅，和（ｄ）至少一种晶须生长增长化 合物，其量足以加速β－氮化硅晶须的生成，该化合物为选自钙、钠、钾、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锶、锆、铌、钡、镧或其混合物的元素衍生物，在达到致密化的条件下热压该粉末混合物，直接生成平均纵横尺寸比高的β一氮化硅晶须，使该氮化 硅陶瓷主要含纵横尺寸比高的β－氮化硅晶须，其陶瓷体断裂韧性约大于６ＭＰａ（ｍ）↑１／２。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阿历山大J派锡克，威廉J杜宾斯基，杜格拉斯B许瓦兹，唐纳德R比曼，哈罗德E罗索，
申请(专利权)人：唐化学原料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]