專利名稱：采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于工程陶瓷制備領域，涉及一種采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備 氮化硅陶瓷球的方法。
背景技術：
氮化硅材料在工程陶瓷領域有非常重要的應用，除具有工程陶瓷材料特有 的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、電絕緣、磁絕緣、高強度、高剛度、低比重、低 膨脹等一系列優(yōu)良性能外，還與軸承用鋼球具有相似的滾動接觸疲勞破壞形 式一一剝落，可以避免其它陶瓷材料脆性斷裂發(fā)生的突發(fā)性破壞，在軸承球領 域有著越來越廣泛的應用。
氮化硅材料優(yōu)良的綜合機械性能和使用穩(wěn)定性，使其在工程陶瓷領域中有 很廣泛的應用。氮化硅材料是目前陶瓷球的首選材質(zhì)，氮化硅陶瓷球可用作陶 瓷軸承用球、閥門球、測量用球等，在航空、航天、電子、機械等領域也有著 廣泛的應用。
國內(nèi)氮化硅球的批量制備采用GPS (氣壓燒結(jié)工藝)燒結(jié)工藝，由于氮化
硅高溫下會產(chǎn)生分解，而且其強共價鍵結(jié)構(gòu)造成燒結(jié)驅(qū)動力很小，需要加入一
定的燒結(jié)助劑，加入的燒結(jié)助劑在燒結(jié)后形成晶間玻璃相，成為除了氣孔、裂 紋等缺陷之外材料損壞的重要原因。
采用熱等靜壓后處理工藝可以部分消除小尺寸的裂紋、氣孔等缺陷，但是 不能完全消除存在的缺陷，且對于大尺寸的裂紋和氣孔無法彌補，同時對于材 料的顯微結(jié)構(gòu)的改善作用很小，對于氮化硅材料而言，經(jīng)燒結(jié)后晶粒間互相交 叉形成骨架結(jié)構(gòu)，采用熱等靜壓后處理工藝很難發(fā)生改變，因此雖然熱等靜壓 后處理工藝具有工藝簡單、生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)成本低等特點，但是對于生產(chǎn)高 性能氮化硅陶瓷具有一定的局限性。
采用包封熱等靜壓方法可以在氣體介質(zhì)高溫、高壓的雙重作用下促進氮化硅材料的燒結(jié)，具有燒結(jié)動力高、添加助劑少、燒結(jié)時間短、顯微結(jié)構(gòu)好、材 料性能高等優(yōu)點。包封方法可以采用金屬、玻璃等多種方法，在陶瓷材料的熱 等靜壓燒結(jié)中應用較廣泛的是玻璃包封方法。
玻璃包封方法一般可采用玻璃容器包封、玻璃粉末包封、玻璃液浸漬包封 等方法進行，對于量化制備采用玻璃粉末包封的方法具有工藝簡便、可操作性 好的優(yōu)點。
國內(nèi)氮化硅陶瓷球的生產(chǎn)、研究主要集中在氣壓燒結(jié)工藝和熱等靜壓后處 理工藝，而對于實際生產(chǎn)急需的熱等靜壓燒結(jié)涉及較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種工藝簡 便，重復性好，可量化生產(chǎn)的氮化硅陶瓷球的制備方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)采用玻璃包封熱等靜壓工藝 制備氮化硅陶瓷球的方法，其特征在于，該方法是將氮化硅配方料經(jīng)成型、冷 等靜壓處理得到坯體，然后在該坯體表面用溶液浸漬法涂覆一層石墨隔離層，
干燥后放入坩堝內(nèi)，周圍埋封碎玻璃，升溫至110(TC-130(TC使玻璃熔化形成完 整包封，然后加壓升溫到100-200MPa、 1700-l卯0。C、保溫1-3小時進行熱等 靜壓燒結(jié)，即得產(chǎn)品。
所述的氮化硅配方料包括以下組分和重量百分含量氮化硅90%-99%，燒 結(jié)助劑1%-10%。
所述的燒結(jié)助劑選自MgO、 Y203、 A1203、 La203、 Ce02中的一種或幾種。 所述的成型是將氮化硅配方料進行干壓成型。
所述的石墨隔離層的厚度為0.05mm-5mm，石墨隔離層選膠體石墨進行1-5
次浸漬制得。
所述的碎玻璃為硼硅酸鹽玻璃。
本發(fā)明是采用與氮化硅材料熱膨脹系數(shù)相當?shù)牟ＡнM行氮化硅坯體的包 封，然后在高溫、高壓下進行熱等靜壓燒結(jié)，具有工藝簡便，重復性好，可量 化生產(chǎn)的特點，可用于制備多種尺寸的氮化硅陶瓷球。本發(fā)明制備的氮化硅球 顯微結(jié)構(gòu)均勻，硬度》1400kg/mm2，壓痕斷裂韌性》5MPa m1/2，可廣泛應用在陶瓷軸承球等領域。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的特點
1. 采用玻璃對氮化硅球進行包封，玻璃的熱膨脹系數(shù)與氮化硅的熱膨脹系 數(shù)相當，優(yōu)先采用硼硅酸鹽玻璃；
2. 氮化硅球表面采用溶液浸漬法涂覆一層石墨隔離層，有利于最終材料和 玻璃的脫離，操作簡便，利于生產(chǎn)；
3. 涂有石墨層的氮化硅球放入坩堝內(nèi)，周圍埋封玻璃；
4. 升溫使得玻璃熔化完全，完整包封氮化硅球，然后加壓升溫到所需工藝 參數(shù)進行熱等靜壓燒結(jié)。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。 實施例l-.
將氮化硅配方料(95%Si3N4+3wt% Y203+ 2 wt%Al203)成型為小5mm的 陶瓷球坯體，在200MPa壓力下進行冷等靜壓處理，坯體密度達到理論密度的 60%，然后采用溶液浸漬法在表面涂覆一層膠體石墨隔離層，厚度大于0.05mm, 充分干燥后放入石墨坩堝內(nèi)，周圍埋封硼硅酸鹽碎玻璃，然后升溫到120(TC， 玻璃熔化，完整包封氮化硅球，加壓升溫到1850°C、 200MPa，保溫保壓2小 時進行熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束后，控制降溫，取出氮化硅球。
上述工藝制備的小5mm氮化硅球顯微結(jié)構(gòu)均勻，無氣孔、裂紋等缺陷，顯 微硬度1550kg/mm2，壓痕斷裂韌性7.8 MPa'm1/2，三點純滾動接觸疲勞壽命> 106循環(huán)次數(shù)。
實施例2:
將氮化硅配方料(95%Si3N4+3wt% Y203+ 2 wt%Al203)成型為小7mm的 陶瓷球，批量2kg，在200MPa下保壓5分鐘進行冷等靜壓處理，然后坯體采 用溶液浸漬法在表面涂覆一層膠體石墨隔離層，厚度大于0.05mm，充分干燥 后放入石墨坩堝內(nèi)，周圍埋封硼硅酸鹽碎玻璃，然后升溫到1200°C，玻璃熔化， 完整包封氮化硅球，加壓升溫到1850°C、 200MPa，保溫保壓2小時進行熱等 靜壓燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束后，控制降溫，取出氮化硅球。上述工藝批量制備的4) 7mm氮化硅球顯微結(jié)構(gòu)均勻，無氣孔、裂紋等缺陷， 顯微硬度1550kg/mm2，壓痕斷裂韌性7.8 MPa'm1/2，三點純滾動接觸疲勞壽命 >106循環(huán)次數(shù)，產(chǎn)品合格率>99%。
實施例3:
將氮化硅配方料(92%Si3N4+5wt%Y203+ 3wt%Al203)成型為4> 16mm的 陶瓷球，在200MPa下保壓5分鐘進行冷等靜壓處理，然后采用溶液浸漬法在 表面涂覆一層膠體石墨隔離層，厚度大于0.1mm，充分干燥后放入石墨坩堝內(nèi)， 周圍埋封硼硅酸鹽碎玻璃，然后升溫到1200°C，玻璃熔化，完整包封氮化硅球， 加壓升溫到185(TC、 180MPa，保溫保壓2小時進行熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束 后，控制降溫取出氮化硅球。
上述工藝制備的4)16mm氮化硅球顯微結(jié)構(gòu)均勻，無氣孔、裂紋等缺陷， 顯微硬度1530kg/mm2，壓痕斷裂韌性7.5 MPa'm1/2。
實施例4:
將氮化硅配方料(90%Si3N4+6wt% Y203+ 4wt%Al203)成型為4> 57mm的 陶瓷球，在250MPa下保壓5分鐘進行冷等靜壓處理，然后采用溶液浸漬法在 表面涂覆一層膠體石墨隔離層，厚度大于O.lmm，充分干燥后放入石墨坩堝內(nèi)， 周圍埋封硼硅酸鹽碎玻璃，然后升溫到1200°C，玻璃熔化，完整包封氮化硅球， 加壓升溫到1800°C、 150MPa，保溫保壓2小時進行熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束 后，控制降溫，取出氮化硅球。
上述工藝制備的4)57mm氮化硅球顯微結(jié)構(gòu)均勻，無氣孔、裂紋等缺陷， 顯微硬度1510kg/mm2，壓痕斷裂韌性7.0 MPa.m1/2。
實施例5
采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球的方法，該方法是采用碎玻 璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球，具體工藝如下將氮化硅99wt%， Mg01wtn/。進行干壓成型、冷等靜壓處理得到坯體，然后在該坯體表面用膠體石 墨采用溶液浸漬法浸漬5次涂覆一層厚度為5mm的石墨隔離層，千燥后放入 坩堝內(nèi)，周圍埋封硼硅酸鈉碎玻璃，升溫至IIO(TC使玻璃熔化形成完整包封， 然后加壓升溫到200MPa、 1700°C、保溫1小時進行熱等靜壓燒結(jié)，即得產(chǎn)品。
上述工藝制備的4)60mm氮化硅球顯微結(jié)構(gòu)均勻，無氣孔、裂紋等缺陷，顯微硬度1400kg/mm2，壓痕斷裂韌性5.0 MPa'm1/2。 實施例6
采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球的方法，該方法是采用碎玻 璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球，具體工藝如下將氮化硅98wt%， La203lwt%， Ce02lwtQ/。進行干壓成型、冷等靜壓處理得到坯體，然后在該坯體 表面用膠體石墨采用溶液浸漬法浸漬1次涂覆一層厚度為0.05mm的石墨隔離 層，干燥后放入坩堝內(nèi)，周圍埋封硼硅酸鉀碎玻璃，升溫至1300。C使玻璃熔化 形成完整包封，然后加壓升溫到100MPa、 1卯(TC、保溫3小時進行熱等靜壓 燒結(jié)，即得產(chǎn)品。
上述工藝制備的小30mm氮化硅球顯微結(jié)構(gòu)均勻，無氣孔、裂紋等缺陷， 顯微硬度1600kg/mm2，壓痕斷裂韌性7.0 MPa'm1/2。
權利要求
1.采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球的方法，其特征在于，該方法是將氮化硅配方料經(jīng)成型、冷等靜壓處理得到坯體，然后在該坯體表面用溶液浸漬法涂覆一層石墨隔離層，干燥后放入坩堝內(nèi)，周圍埋封碎玻璃，升溫至1100℃-1300℃使玻璃熔化形成完整包封，然后加壓升溫到100-200MPa、1700-1900℃、保溫1-3小時進行熱等靜壓燒結(jié)，即得產(chǎn)品。
2. 根據(jù)權利要求1所述的采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的氮化硅配方料包括以下組分和重量百分含量氮 化硅90%-99%，燒結(jié)助劑1%-10%。
3. 根據(jù)權利要求2所述的采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的燒結(jié)助劑選自MgO、 Y203、 A1203、 La203、 Ce02 中的一種或幾種。
4. 根據(jù)權利要求1所述的采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的成型是將氮化硅配方料進行干壓成型。
5. 根據(jù)權利要求1所述的采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的石墨隔離層的厚度為0.05mm-5mm，石墨隔離層 選膠體石墨進行1-5次浸漬制得。
6. 根據(jù)權利要求1所述的采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的碎玻璃為硼硅酸鹽玻璃。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用玻璃包封熱等靜壓工藝制備氮化硅陶瓷球的方法，該方法是將氮化硅配方料經(jīng)成型、冷等靜壓處理得到坯體，然后在該坯體表面用溶液浸漬法涂覆一層石墨隔離層，干燥后放入坩堝內(nèi)，周圍埋封碎玻璃，升溫至1100℃-1300℃使玻璃熔化形成完整包封，然后加壓升溫到100-200MPa、1700-1900℃、保溫1-3小時進行熱等靜壓燒結(jié)，即得產(chǎn)品。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有工藝簡便，重復性好，可量化生產(chǎn)等優(yōu)點。
文檔編號C04B35/584GK101613202SQ20091005516
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權日2009年7月21日
發(fā)明者何萬保, 張培志, 莉 李 申請人:上海材料研究所