專利名稱：陶瓷部件的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過在至少兩個步驟中應用燒結工序來制造具有定制的微結構的陶 瓷部件的方法，其中第一步驟涉及燒結，第二步驟涉及在三維空間的受控的晶粒生長。
背景技術：
在大量的論文中已經發(fā)表了在燒結陶瓷材料時使用電流作為輔助。電脈沖輔助固結(EPAC)包括了所有基于用脈沖DC電流對待燒結的材料進行加熱 的工藝。該技術的其他名稱是火花等離子體燒結(SPS)、脈沖電流燒結(PECS)、場輔助燒結 技術(FAST)、等離子體輔助燒結(PAS)和等離子體壓力成型(P2C)。這些技術將在下文稱 為 SPS0盡管在二十世紀六十年代就已經存在有通過放電工藝來壓緊金屬材料的想法 (美國專利第3，241, 956號)，但SPS是相對較新的燒結技術。對放置在導電性沖頭之間的 模具中的粉末施加電能脈沖。燒結方法允許在應用高加熱速率和短停留時間的同時在幾分 鐘之內制得完全致密的材料。具有典型的幾個毫秒的脈沖持續(xù)時間和0. 5kA 30kA的電 流的脈沖DC電流流過沖頭、模具，并根據樣品的電性質也流過該樣品。電脈沖以脈沖包的 形式產生，其中開啟關閉的關系在1 99 99 1的范圍內。壓力在單軸方向上直接施 加于沖頭，因而施加于粉末床，其通常為5MPa 200MPa。該技術現(xiàn)今用于壓緊各種不同的 金屬和陶瓷材料。使用例如熱壓(HP)、熱等靜壓(HIP)或無壓燒結等傳統(tǒng)燒結方法，諸如氮化硅和 塞隆(sialon，基于氮化硅的材料，其中硅和氮被鋁和氧取代)等陶瓷材料的致密化伴隨著 晶粒的不可控生長。對于傳統(tǒng)燒結方法和SPS 二者來說正常的燒結實踐往往是以一定速率 加熱待燒結的粉末，之后將其保持在一定溫度和壓力下直至達到最大密度。晶粒的尺寸于 是隨密度而增大。單軸壓力導致陶瓷具有各向異性的微結構，因為垂直于壓力晶粒生長是 有利的。陶瓷的晶粒的取向和尺寸對部件的機械性質具有很大的影響。因此許多的努力都 是關注于試圖定制陶瓷的晶粒尺寸和微結構以獲得最終得到的部件的所期望的機械性質。已知有使用SPS來燒結具有極細晶粒結構的陶瓷。在US 5，622，905中，燒結的氮 化硅體被描述為在通過火花等離子體燒結、微波燒結或超高壓燒結等進行燒結后具有不超 過200nm的均勻精細晶體尺寸。一些出版物報道了用SPS燒結氮化硅和塞隆。在“!formation of in situ reinforced microstructures in alfa-sialon ceramics :Part III ；Static and dynamic ripening", J. Mater. Res.第 19 卷，第 8 期，2004 年 8 月，2402-M09 頁中，描述了(YB+Y)穩(wěn) 定的α-塞隆樣品如何通過火花等離子體燒結而固結。已經發(fā)現(xiàn)，在低于溫度閾值時可以 以極為有限的晶粒生長實現(xiàn)α-塞隆的固結。還觀察到了用于晶粒生長的溫度閾值，而且 退火的固結樣品顯示出伸長的α晶粒。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是用于定制燒結的陶瓷部件的微結構的方法。本發(fā)明的另一個目的是通過快速有能效的方法來制造燒結的陶瓷部件。本發(fā)明的另一個目的是制造具有優(yōu)異的機械性質的氮化硅和/或塞隆的燒結陶 瓷部件。本發(fā)明的這些目的通過在至少兩個步驟中在SPS裝置內燒結陶瓷粉末或坯體而 實現(xiàn)。通過將致密化和晶粒生長相分開，可以定制部件的微結構。通過在第一溫度和第一 壓力下進行初始燒結步驟，然后在高于第一溫度的第二溫度下和低于第一壓力的第二壓力 下進行受控的晶粒生長步驟，通過微結構的設計來改善陶瓷的機械性質的新的可能性是可 能的。該方法對不同的晶體結構的有利性是不同的。氮化硅和塞隆的兩種多晶型物—— α和β的微結構的發(fā)展方式是不同的，即，α相通常由等軸晶粒構成，而β相具有伸長的 棒狀晶粒。這些差異導致材料的機械性質因晶體結構的不同而發(fā)生變化。例如，a-Si3N4 具有比β-Si3N4更高的硬度，而β晶粒的伸長結構促進了更高的韌性。這一點對于α-塞 隆和β-塞隆是有效的。在塞隆和Si3N4 二者的情況中，該方法對β結構比對α相更為有 利。棒狀β晶粒的受控生長產生了晶須狀結構，得到了增強材料。α晶?？梢陨扉L，不過 那些晶粒比β晶粒更為粗糙，機械性質的改善因此不夠顯著。根據本發(fā)明制造的部件將具有占總重量的至少50重量％的β-Si3N4或β-塞隆含量。在所述至少兩個步驟中所用的溫度、時間和壓力取決于待燒結材料的組成以及部 件尺寸。通過取出測試樣品來評估適當?shù)臈l件，以建立用于獲得具有伸長的β晶粒的三維 微結構的最佳條件。


圖1.顯示溫度和壓力隨時間變化的示意圖，對本發(fā)明進行圖示。圖2.顯示根據實施例1制備的樣品的晶粒的掃描電子顯微照片，箭頭表示施加壓 力的方向。
具體實施例方式通過在SPS單元中的受控的晶粒生長可以獲得改善的陶瓷部件，其中通過棒狀β 晶粒的受控生長可形成晶須狀材料。簡而言之，SPS工藝包括發(fā)生致密化的初始燒結步驟， 和隨后的通過溫度及壓力二者變化的組合的受控晶粒生長步驟，該工藝將得到具有三維空 間中的改善的機械性質的部件。在第一步中，在第一溫度和第一壓力下進行燒結，直至材料完全致密或接近完全 致密。當致密化結束或顯著減緩時，中斷該步驟以防止晶粒生長。在第二步中，通過第二壓 力和第二溫度的組合來促進晶粒的生長，其中第二壓力相比第一壓力下降，第二溫度相比 第一溫度升高。將該步驟的持續(xù)時間針對于各材料和部件以及批量大小進行優(yōu)化，以獲得 最終所得部件的所期望的機械性質。因此必須通過預制樣對持續(xù)時間進行分析以獲悉該步 驟應當進行多長時間。通過降低第二步中的壓力，允許晶粒以更為各向同性的方式生長，從 而降低微結構的各向異性。按照這種方式能夠獲得具有增強結構的定制的陶瓷材料，其中在三維空間中的晶粒生長導致機械性質的改善。本發(fā)明主要應用于基于氮化硅和塞隆的材料，不過也可以應用于能夠由SPS燒結 的其他陶瓷材料如碳化鎢。粉末中可包含諸如IO3或其他稀土氧化物、Al203、AlN、TiC、TiN、 SiC和/或硅和鋁的氮氧化物等添加劑，其總量最大為10重量％。材料中可能存在不可避 免的雜質。圖1中示出了燒結循環(huán)的示意性構成。根據本發(fā)明燒結基于氮化硅和塞隆的材 料，應用的加熱速率為5°C /分鐘 600°C /分鐘，優(yōu)選為50°C /分鐘 150°C /分鐘。第 一步驟的第一溫度Tl是發(fā)生完全或幾乎完全致密化的溫度，對于Si3N4和塞隆為1500°C 1600°C。因而密度是理論密度的至少99%，或至少97%。該步驟的第一壓力Pl通常為 20MPa 150MPa，優(yōu)選30MPa 70MPa。該步驟的持續(xù)時間為1分鐘 60分鐘，通常為3分 鐘 20分鐘，這取決于以上提及的參數(shù)。溫度隨后升高至第二溫度T2，該溫度通常比Tl高 100°C 200°C，優(yōu)選為1600°C 1750°C。同時，壓力降低至第二壓力P2以應用低壓，通常 為低于5MPa或低于lOMPa，因為機器通常需要施加一定的壓力。第二步驟的持續(xù)時間t2為 1分鐘 60分鐘，通常為3分鐘 20分鐘。燒結程序包括高加熱速率(陡斜的加熱斜率)和在所期望的溫度下的短保持時 間。圖2中顯示了根據本發(fā)明制造的塞隆材料的微結構，顯示出伸長的β晶粒的各向 同性分布。第一步驟中的壓力Pl的方向由圖中的箭頭所示。具有更低壓力Ρ2的第二步允 許β晶粒在許多方向上生長。通過該工藝可以在一個小時內，或更為通常在30分鐘內形成具有定制的微結構 的致密材料。樣品的冷卻可以程序化進行，或者電流被切斷時樣品將自動冷卻。通過本發(fā)明的方法制造的材料可用于需要高性能陶瓷部件的范圍廣泛的應用，例 如所有的陶瓷或混合軸承、切削工具和發(fā)動機部件。實施例實施例1通過混合91 重量 ％ Si3N4 (d50 < 0. 5 μ m)、5 重量 ％ Y2O3 (d50 < 0. 9 μ m)禾口 4 重量 ％ SiAl6O2N6 (d5C1< 2. 50 μ m)來制造粉末。將粉末混在液體介質中并進行凍干。將粉末插入 SPS單元的石墨模具室中，并通過兩個沖頭來密封該室。最初使溫度自動升至600°C。隨 后，應用100°C /分鐘的加熱速率。樣品在1550°C的第一溫度致密化3分鐘，之后在1700°C 的第二溫度處理4分鐘。用聚焦于燒結模具表面的光學高溫計測定溫度。燒結在真空下發(fā) 生。第一步驟的第一壓力保持在50MPa，并降至在第二步驟中的第二壓力5MPa。形成的陶 瓷部件具有的維氏硬度Hvltl為約1800kgmm 2，斷裂韌度Kle為6. 4MPa · m1/2 6. 8MPa · m1/20 通過X-射線粉末衍射測定，燒結材料由80重量％的β-塞隆和20重量％的α-塞隆的混 合物構成。β晶粒具有的平均縱橫比為約1.2X0. 3 μ m。實施例2根據實施例1的組成和粉末制劑制備塞隆樣品。根據以下的表，分別在一個或兩 個步驟中燒結樣品。當?shù)诙皆诟邷叵逻M行時，晶粒的縱橫比的變化明顯。主要是晶粒的 長度增加，而其寬度顯示出較小的增加。此外，晶粒的縱橫比影響機械性質。編號5的樣品 在兩個步驟中燒結，顯示出最佳性質。
樣品 編號溫度1/ 溫度2 (0C)時間 1/ 時間2 (分鐘)P1/P2 (MPa)密度 (g-cm"3)Kic (MPa-m1/2)Stdv (±)Hv10 (GPa)Stdv (±)長度 X (μηι)Stdv (±)寬度 y (μηι)Stdv (±)11650 單步5503.236.20.5200.40.70.260.280.121700 單步5503.235.70.419.60.50.840.650.320.2131750 單步5503.225.80.419.61.41.040.540.40.2441550/16503/550/53.235.00.419.31.80.440.170.250.0951550/17003/550/53.247.21.220.91.41.220.690.310.1761550/17503/550/53.245.50.319.10.31.30.880.350.26實施例3與實施例1相比，在SPS單元中燒結具有相同的粉末組成和部件尺寸的另一樣品。 除了在晶粒生長步驟中的條件不同外燒結條件相同，其中該后一樣品經歷50MPa的第二壓 力，而不是通常用于本發(fā)明的較低的第二壓力5MPa。燒結條件和壓痕測定結果顯示在下表 中。兩個樣品的維氏硬度Hvltl均很高，不過實施例1的稍微更高一些。然而，最大差異是斷 裂韌度K1。，與應用較高的第二壓力時相比，實施例1的晶粒生長步驟的低壓導致韌度高得 多。此外，實施例1的情況中的斷裂壓痕韌度在整個樣品中是均勻的，而實施例2顯示出從 樣品邊緣至核心的明顯的變化。
樣品Τ1/Τ2 (0C)tl/t2(分鐘)Pl/P2(MPa)Hvio(kg-mm"2)Kic(MPa-m12)實施例11550/17254/350/518006.4 6.8實施例21550/17254/350/5017404.3 6.權利要求
1.一種通過SPS燒結程序制造具有定制的微結構的陶瓷部件的方法，其特征在于，對 粉末或預成型坯體在第一致密化步驟中在第一溫度Tl和第一壓力Pl下進行處理以使所述 粉末或坯體致密化，然后在所述第一步驟之后的第二晶粒生長步驟中在高于所述第一溫度 Tl的第二溫度T2和低于所述第一壓力Pl的第二壓力P2下進行處理以促進所述部件中的 伸長晶粒的各向異性的晶粒生長。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷部件包含氮化硅或塞隆或其混合 物，并且所述伸長晶粒是β -氮化硅和/或β -塞隆。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述伸長晶粒占所述部件的比例超過50重 量％。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述粉末或預成型坯體還包含稀土氧 化物、氮化鋁、氧化鋁和/或硅和鋁的氮氧化物。
5.如權利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，所述粉末或坯體在所述第一步驟中 在第一壓力即20MPa 150MPa或30MPa 70MPa的單軸向壓力、5°C /分鐘 600°C /分鐘 的加熱速率和1400°C 1600°C或1450°C 1600°C的第一溫度下進行處理，并且隨后的晶 粒生長步驟的所述第二溫度為1600°C 1800°C或1650°C 1750°C，所述第二壓力為低于 5MPa 或低于 lOMPa。
6.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一致密化步驟的保持時 間足夠長以獲得不小于理論密度的97%或不小于理論密度的99%的密度。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一致密化步驟的所述保持時間為1分 鐘 60分鐘，或3分鐘 20分鐘。
8.如權利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，隨后的所述晶粒生長步驟的保持時間 為1分鐘 60分鐘，或3分鐘 20分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造具有假各向同性微結構的陶瓷材料的方法。用于定制微結構以制造燒結的陶瓷部件的方法涉及火花等離子體燒結(SPS)工藝。通過在至少兩個步驟中執(zhí)行SPS工藝可以把致密化和晶粒生長分開。在第一溫度和第一壓力下的初始燒結步驟之后進行在更高的溫度和更低的壓力下的受控的晶粒生長步驟能夠制造具有受控的微結構和改善的機械性質的陶瓷部件。
文檔編號C04B35/645GK102137826SQ200880130908
公開日2011年7月27日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權日2008年8月29日
發(fā)明者卡塔琳娜·弗洛德斯特羅姆, 夏洛特·維拉爾德, 沈志堅, 賽義德·埃斯馬艾爾扎德 申請人:Skf股份公司, 黛摩股份公司