【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及陶瓷材料，尤其涉及一种sialon陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
1、近年来，非氧化物陶瓷凭借其优异的高温机械性能与化学稳定性被广泛应用于面向极端服役环境的切削刀具、耐磨零件、高温结构材料等关键领域。其中，sialon陶瓷是一类新型非氧化物结构陶瓷，其在si3n4的基础上通过al和o原子对si和n原子的置换，形成的一类基于si-al-o-n的新型固溶体陶瓷材料，具有优异的高温硬度、化学稳定性和抗热震性。与其他非氧化物陶瓷相比，sialon陶瓷具有更为突出的断裂韧性和抗崩损性；与si3n4相比，sialon 陶瓷在烧结过程中形成的瞬时液相可以在烧结后期能作为化学组成构成sialon 相，使晶界得到净化，因此其具有更好的高温力学性能和化学稳定性。因此，sialon陶瓷被广泛应用与耐热金属高速加工刀具、耐磨组件和高温耐火材料等应用中。
2、sialon陶瓷可以通过成分和工艺参数控制，生成α-sialon和β-sialon两种常见晶相，并且两者在热力学上可以共存。α-sialon具有等轴状形貌，硬度和耐磨性较高，并且可以在形成过程中消耗晶界中的部分稀土或碱土金属氧化物；β-sialon主要表现为长棒状结构，通过晶粒自锁效应具有极佳的韧性和抗崩损性。α-β-sialon是一种由α-sialon和β-sialon共同组成的复相陶瓷，克服了纯β相和α相sialon陶瓷耐磨性差和易崩损的缺点，是综合性能更优越的复合陶瓷材料。因此，α-β-sialon陶瓷作为一种耐热金属切削刀具和耐磨零件材料备受关注。目前，很多α-
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种力学性能优异、耐热性好、孔隙率低、制备难度低、生产效率高的sialon陶瓷及其制备方法和应用，用以解决
技术介绍
中提及的技术问题。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
3、一种sialon陶瓷，所述sialon陶瓷的晶相结构包括包括α-sialon相和β-sialon相；所述sialon陶瓷还包括三种稀土元素：y、reii和reiii；所述稀土元素reii的阳离子半径小于0.89å；所述稀土元素reiii的阳离子半径大于1.0å。
4、上述技术方案的设计思路在于，本专利技术采用y-reii-reiii三元稀土掺杂sialon陶瓷，其中，稀土元素reii的阳离子半径小于0.89å，此类稀土阳离子容易进入α-sialon的晶格中形成配位结构，在热力学上有利于α-sialon的析出，满足sialon陶瓷刀具或结构材料耐磨性的需求；稀土元素reiii为的阳离子半径大于1.0 å，此类稀土阳离子由于尺寸较大，难以进入α-sialon的晶格，只能在晶间玻璃相中存在，因此可以在烧结过程中持续产生液相，防止烧结后期烧结动力不足的问题，减小了最终产品的孔隙率。为了保证sialon晶粒，尤其是β-sialon晶粒的大长径比生长，本专利技术中还添加y2o3（离子半径0.9 å），y3+在sialon晶粒的（100）面有较好的吸附效果，并且大部分y2o3会在烧结后期进入α-sialon晶格，不会对晶界强度有明显恶化影响。因此与现有技术相比，三元稀土掺杂sialon陶瓷具有较好的综合力学性能。
5、作为上述技术方案的进一步优选，所述稀土元素reii包括lu、yb、tm和er中的至少一种。从成本和易得性角度而言优选yb。
6、作为上述技术方案的进一步优选，所述稀土元素reiii包括ce和la中的至少一种。从成本和易得性角度而言优选la。此类reiii阳离子易附着在sialon晶粒的（100）面，更有利于sialon晶粒的大长径比的生长趋势，可提高sialon陶瓷的在极端服役条件下抗崩损性能。
7、作为上述技术方案的进一步优选，所述sialon陶瓷中，α-sialon相的比例为25%~70%，β-sialon相的比例30~75%。其中，当α-sialon相比例为25~40%时，适合制成面向断续切削用途的耐热金属切削刀具；当α-sialon相比例为40~70%时，适合制成耐磨零件或连续切削用途的耐热金属切削刀具。当α-sialon相比例低于25%时，烧结体耐磨性和抗热冲击性较差，并且可能有较多晶间相残留；当α~sialon相比例大于70%时，烧结体抗崩损性较差。α/β相比例的调整主要取决于温度、稀土氧化物或阳离子含量以及稀土阳离子种类。一般来说，温度越高，α相比例越高；稀土阳离子在一定范围内含量越高，α相比例越高；稀土阳离子尺寸越小，α相比例越高。
8、基于同一技术构思，本专利技术还提供一种上述技术方案的sialon陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
9、（1）将si3n4、aln、al2o3、y2o3、reii2o3和reiii2o3原料粉末以及粘结剂按配比分散在溶剂中混合均匀，得到混合浆料；
10、（2）将所述混合浆料干燥后模压成型，得到陶瓷生坯；
11、（3）将所述陶瓷生坯于1700~1900℃下加压烧结，烧结完成后冷却即得所述sialon陶瓷。
12、与单一稀土氧化物掺杂相比，本专利技术采用多元稀土氧化物掺杂可以降低瞬间液相的熔点，有利于液相烧结过程，从而降低了sialon陶瓷烧结难度。因此，可以利用常规气压烧结方法实现99%以上的相对密度，其生产效率与成本均优于传统的热压或热等静压烧结技术；最终的烧结温度设计为1700~1900℃，温度过低则sialon陶瓷无法获得较好的致密化效率，温度过高则会使si3n4剧烈分解，影响表面质量与成分控制。同时，本专利技术的制备方法还可通过调整y2o3/reii2o3/reiii2o3的比例以及加工参数，以调整sialon陶瓷α/β相比例，从而可以针对不同使用场景对力学性能进行设计调整。
13、作为上述技术方案的进一步优选，步骤（3）中，先将所述陶瓷生坯在真空条件下以10℃/min的速率升温至1500℃，再于0.1mpa的氮气氛围内以5~8℃/min的速率升温至1700~1900℃，在1~10mpa的氮气氛围内进行加压烧结。首先真空加热至1500℃主要作用在于节省气体成本，在1500℃以下氮化硅不会发生分解，无需氮气氛或者其他气氛保护。再升温至1700~1900℃的过程中，氮化硅可能在缺乏氮气的气氛中发生分解，因此需要0.1 mpa氮气保护。在达到烧结温度后，需要在烧结后期将气压提升至1~10 mpa从而消除闭孔，达到理想的致密度。一般而言，氮化硅基或sialon基陶瓷全程采用低压烧结，对于刀具材料而言可能无法实现较为理想的致密度。部分使用高压烧结（1-10 mpa）的方法则为到达烧结温度后全程使用1~1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种SiAlON陶瓷，其特征在于，所述SiAlON陶瓷的晶相结构包括包括α-SiAlON相和β-SiAlON相；所述SiAlON陶瓷还包括三种稀土元素：Y、REII和REIII；所述稀土元素REII的阳离子半径小于0.89Å；所述稀土元素REIII的阳离子半径大于1.0Å。
2.根据权利要求1所述的SiAlON陶瓷，其特征在于，所述稀土元素REII包括Lu、Yb、Tm和Er中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的SiAlON陶瓷，其特征在于，所述稀土元素REIII包括Ce和La中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的SiAlON陶瓷，其特征在于，所述SiAlON陶瓷中，α-SiAlON相的比例为25%~70%，β-SiAlON相的比例30~75%。
5.一种权利要求1-4任一项所述的SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，先将所述陶瓷生坯在真空条件下升温至1500℃，再于0.1MPa的氮气氛围内以5~8℃/min的
7.根据权利要求6所述的SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于，将所述陶瓷生坯升温至1700~1900℃后，进行两步加压烧结：先在1 MPa的氮气氛围内保温1小时，再在6~10 MPa的氮气氛围内保温1~1.5小时。
8.根据权利要求5-7任一项所述的SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于，Si3N4粉末占原料粉末总质量的75~90wt%；AlN粉末占原料粉末总质量的2~8wt%；Al2O3粉末占原料粉末总质量的1~5wt%；Y2O3粉末占原料粉末总质量的0~10wt%；REII2O3粉末占原料粉末总质量的1~11wt%；REIII2O3粉末占原料粉末总质量的0.1~2wt%；其中，Y2O3+REII2O3+REIII2O3粉末之和占原料粉末总质量的5~12wt%。
9.根据权利要求5-7任一项所述的SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于，所述粘结剂包括聚乙烯醇缩丁醛和微晶石蜡中的至少一种；所述粘结剂的添加量为原料粉末总质量的1~6%。
10.一种权利要求1-4任一项所述的SiAlON陶瓷或权利要求5-9任一项所述的制备方法制得的SiAlON陶瓷的应用，其特征在于，所述SiAlON陶瓷用于制作耐热金属高速加工刀具、耐磨组件或高温耐火材料。
...【技术特征摘要】
1.一种sialon陶瓷，其特征在于，所述sialon陶瓷的晶相结构包括包括α-sialon相和β-sialon相；所述sialon陶瓷还包括三种稀土元素：y、reii和reiii；所述稀土元素reii的阳离子半径小于0.89å；所述稀土元素reiii的阳离子半径大于1.0å。
2.根据权利要求1所述的sialon陶瓷，其特征在于，所述稀土元素reii包括lu、yb、tm和er中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的sialon陶瓷，其特征在于，所述稀土元素reiii包括ce和la中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的sialon陶瓷，其特征在于，所述sialon陶瓷中，α-sialon相的比例为25%~70%，β-sialon相的比例30~75%。
5.一种权利要求1-4任一项所述的sialon陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的sialon陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，先将所述陶瓷生坯在真空条件下升温至1500℃，再于0.1mpa的氮气氛围内以5~8℃/min的速率升温至1700~1900℃，在1~10mpa的氮气氛围内进行加压烧结。
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨继安，武文花，曾瑞霖，
申请(专利权)人：株洲硬质合金集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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