專利名稱：一種高致密長壽命的氮化硅陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化硅陶瓷材料，特別涉及一種高致密、長壽命的氮 化硅陶瓷材料以及用于制備該氮化硅陶乾材料的組合物。
背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷球具有高強(qiáng)度、高剛度、比重輕、耐磨損、耐腐燭、耐冷 熱沖擊、自潤滑免維護(hù)以及電絕緣等優(yōu)異性能，是目前制造各類精密陶資 軸承的首選軸承球。氮化硅陶資球還可以作為閥球、測量球、研磨球而廣 泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械和化工等領(lǐng)域。
氮化硅陶瓷球的種類多種多樣，例如R'L'耶克利發(fā)明的"具有高疲勞 壽命的氮化硅軸承球"(CN1143944);張培志發(fā)明的"一種大尺寸陶瓷球 的制備方法，，(CN101125755A)，其中都采用了昂貴的熱等靜壓(HIP)燒 結(jié)工藝，并且軸承球的后期加工成本高；張寶林公開的"用于軸承球的塞 隆陶瓷及其制備方法，，(CN1270944 )采用氣壓燒結(jié)雖然可以降低生產(chǎn)成本， 近凈尺寸燒結(jié)氮化硅軸承球，但其采用較多的Y203、 A1203、 A1N,造成 氮化硅材料性能降低，室溫斷裂韌性僅為5.5~6.2 MPa'm1/2，強(qiáng)度僅為 607 756MPa,限制了氮化硅陶瓷球在高轉(zhuǎn)速、大載荷環(huán)境下的使用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種高致密、長壽命的氮化硅陶瓷材料， 以及用于制備該氮化硅陶瓷材料的組合物。 用于實現(xiàn)本發(fā)明的目的的技術(shù)方案如下
一種氮化硅陶瓷材料，其晶相包含Si、 N、 Al、 Y和O元素，以及一 種或多種選自Zr、 Ce、 Sm和La的元素，按氮化硅陶瓷材料的總重量計， 氮化硅的含量為85 ~ 98% (重量)；Al的含量為0.5 ~ 6% (重量)，優(yōu)選為 0.5 3.5% (重量)；Y的含量為1~5% (重量)，優(yōu)選為1 2.5°/。(重量)； Zr的含量為1 ~ 5% (重量)，優(yōu)選為2 3% (重量)；Ce的含量為0.5 ~ 2% (重量)，優(yōu)選為0.5~ 1% (重量)；Sm的含量為0.5~2% (重量)，優(yōu)選為0.5 ~ 1%(重量)；La的含量為0.5~2%(重量)，優(yōu)選為1 ~ 1.5°/。(重量)。 在上述氮化硅陶瓷材料中，Al、 Y、 Zr、 Ce、 Sm和La均以多元氧化 物的形式存在。
上述氮化硅陶瓷材料優(yōu)選為氮化硅陶乾球。氮化硅陶資球可以用作軸 承球、研磨球、閥球或測量球，優(yōu)選用作軸承球。
一種用于制備氮化硅陶瓷材料的組合物，該組合物包含氮化硅，含釔 化合物，含鋁化合物，以及一種或多種選自含鋯化合物、含鈰化合物、含 釤化合物和含鑭化合物的化合物，按組合物的總重量計，氮化硅的含量為 85 ~ 98%(重量)；含鋁化合物的含量為0.5 ~ 6%(重量)，優(yōu)選為0.5 3.5%
(重量)；含釔化合物的含量為1~5% (重量)，優(yōu)選為1 2.5% (重量)； 含鋯化合物的含量為1 ~ 5% (重量)，優(yōu)選為2 3% (重量)；含鈰化合物 的含量為0.5 ~ 2°/。(重量)，優(yōu)選為0.5 ~1% (重量)；含釤化合物的含量 為0.5 ~ 2%(重量)，優(yōu)選為0.5 ~ 1%(重量)；含鑭化合物的含量為0.5~2%
(重量)，優(yōu)選為1 ~ 1.5% (重量)。
在上述組合物中，所述含釔化合物選自釔的氧化物、釔的氫氧化物和 釔的硝酸鹽中的一種或多種；所述含鋁化合物選自鋁的氧化物、鋁的氫氧 化物和鋁的硝酸鹽中的一種或多種；所述含鋯化合物選自鋯的氧化物、鋯 的氫氧化物和氧氯化鋯中的 一種或多種；所述含鈰化合物選自鈰的氧化 物、鈰的氫氧化物和鈰的硝酸鹽中的一種或多種；所述含釤化合物選自釤 的氧化物、釤的氫氧化物和釤的硝酸鹽中的一種或多種；含鑭化合物選自 鑭的氧化物、鑭的氫氧化物和鑭的硝酸鹽的一種或多種。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，上述組合物包含氮化硅、釔的氧化物和 鋁的氧化物，以及一種或多種選自鋯的氧化物、鈰的氧化物、釤的氧化物
和鑭的氧化物的氧化物。例如，上述組合物包含Si3N4、 Al203和Y203，以
及一種或多種選自Zr02、 Ce203、 Sm203和La203的氧化物。其中，按氮化 硅的總重量計，氮化硅中的a-Si3N4的含量大于90% (重量)。氮化硅可以 為平均粒徑為0.03~4(im,優(yōu)選為0.3~0.8|im的氮化硅粉。八1203為純度 大于99.9%，平均粒徑小于1.2(im的Al2CM鼓粉；Y203的純度大于99.9%, 平均粒徑小于l(im; Zr02的純度大于99%,平均粒徑小于0.5(mi; Ce203 的純度大于99.9%,平均粒徑小于liim; La203的純度大于99.9%，平均粒 徑小于lpm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化了氮化硅陶瓷材料中各種成分的配比，尤其是燒結(jié)助劑的組成和含量，從而改善了氮化硅陶瓷材料(例如 氮化硅軸承球)的致密度、強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度等性能指標(biāo)。例如，以 本發(fā)明的用于制備氮化硅陶瓷材料的組合物為原料，經(jīng)氣氛壓力燒結(jié)制備
的陶瓷球的致密度大于98%，強(qiáng)度為700 900MPa，斷裂韌性為7~ 9MPa'm1/2，硬度大于15 GPa;而再經(jīng)熱等靜壓處理后的致密度大于99%, 強(qiáng)度為800- lOOOMPa,斷裂韌性為8~ 10MPa'm1/2，硬度大于17GPa。因 此，本發(fā)明的氮化硅陶瓷材料的性能指標(biāo)相對于現(xiàn)有的同類產(chǎn)品有大幅度 提高，在相對較低生產(chǎn)成本下就可以實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。
具體實施例方式
以下實施例將對本發(fā)明作出進(jìn)一步說明，但并不作為對本發(fā)明的限制。
實施例1
以平均粒徑為0.8|am的Si3N4 (a-Si3N4含量為總重量的91%)為主要 原料，按原料總重量計，加入3% (重量)的A1203 (純度99.99%，平均 粒徑l(im), 2% (重量)的Y203 (純度99.99%，平均粒徑0.8pm)和3% (重量)的Zr02 (純度99.9%，平均粒徑0.4[im )后，以氮化硅研磨球為 磨介，以無水乙醇為混合介質(zhì)在攪拌磨中攪拌6小時，料漿中的固相重量 為料漿重量的50%，通過閉式循環(huán)干燥器制備平均粒徑為47fim的實心球 顆粒。
將造粒后的氮化珪顆粒經(jīng)250MPa冷等靜壓制成0>17mm的球體后放 入烘箱中60 80。C干燥12小時。在氮?dú)鈮毫閘OMPa下1800。C保溫2 小時即可。制備的氮化硅軸承球致密度可達(dá)98.8%以上，晶粒尺寸為2~ 5pm,顯微結(jié)構(gòu)均勻，室溫斷裂韌性為7.3MPa'm1/2，硬度為16GPa。
實施例2
以平均粒徑為0.3pm的Si3N4 (a-Si3N4含量為總重量的91%)為主要 原料，按原料總重量計，加入3% (重量)的A1203 (純度99.99%，平均 粒徑lpm), 2% (重量)的Y203 (純度99.99%,平均粒徑0.8pm), 0.5% (重量)的Sm203 (純度99.99%，平均粒徑0.8pm )和2% (重量)的Ce203 (純度99.99%,平均粒徑0.8pm)后，以氮化硅研磨球為磨介，以汽油為 混合介質(zhì)在臥式球磨機(jī)中攪拌30小時，料漿中的固相重量為料漿重量的
640%。料漿在100 110。C下烘干，50MPa壓制后造粒，制得平均粒徑為150pm 的氮化硅顆粒。
將造粒后的氮化硅顆粒經(jīng)220MPa冷等靜壓制成025mm的球體后放 入烘箱中60 80。C干燥12小時。在氮?dú)鈮毫?MPa下1800。C保溫2小 時。再將氮化硅陶瓷球在200MPa, 160(TC下保溫1小時即可。制備的氮 化硅軸承球致密度可達(dá)99.5%以上，晶粒尺寸為2 5imi，顯微結(jié)構(gòu)均勻， 室溫斷裂韌性為8.7MPa'm1/2，硬度為18GPa。
實施例3
以平均粒徑為l(ini的Si3N4 (a-Si3N4含量為總重量的91%)為主要原 料，按原料總重量計，加入3% (重量)的A1203 (純度99.99%,平均粒 徑lpm )， 2% (重量)的Y203 (純度99.99%,平均粒徑0.8jim )， 1% (重 量)的Sm203 (純度99.99%，平均粒徑0.8|im)和2% (重量)的La203 (純度99.99%,平均粒徑1pm )、 0.5% (重量)的Ce203 (純度99.99%， 平均粒徑0.8pm)后，以氮化硅研磨球為磨介，以異丙醇為混合介質(zhì)在臥 式球磨機(jī)中攪拌30小時，料漿中的固相重量為料漿重量的40%。料漿在 100 110。C下烘干，烘千后的粉料加入塑化劑攪拌、困料、真空練泥。
將真空練泥后的氮化硅泥料用真空注塑機(jī)注塑成09mm的球體后放 入排膠爐中600。C排膠。將排膠后的氮化硅陶瓷球在氮?dú)饣驓鍤鈮毫?2MPa下1800。C保溫2小時燒結(jié)。氮化硅軸承球致密度可達(dá)99%以上，晶 粒尺寸為2 5^im，顯微結(jié)構(gòu)均勻，室溫斷裂韌性為8.1MPa'm1/2，硬度為 16GPa。
實施例4
除實施例3中注塑成型的粉料釆用閉式噴霧干燥器干燥或人工造粒后 的氮化硅粉料之外，其它步驟同實施例3。
權(quán)利要求
1.一種氮化硅陶瓷材料，其晶相包含Si、N、Al、Y和O元素，以及一種或多種選自Zr、Ce、Sm和La的元素，按氮化硅陶瓷材料的總重量計，氮化硅的含量為85～98％(重量)；Al的含量為0.5～6％(重量)，優(yōu)選為0.5～3.5％(重量)；Y的含量為1～5％(重量)，優(yōu)選為1～2.5％(重量)；Zr的含量為1～5％(重量)，優(yōu)選為2～3％(重量)；Ce的含量為0.5～2％(重量)，優(yōu)選為0.5～1％(重量)；Sm的含量為0.5～2％(重量)，優(yōu)選為0.5～1％(重量)；La的含量為0.5～2％(重量)，優(yōu)選為1～1.5％(重量)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述Al、 Y、 Zr、 Ce、 Sm和La均以多元氧化物的形式存在。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述氮 化硅陶瓷材料為氮化硅陶瓷球。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述氮化硅陶瓷材料，其特征在于， 所述氮化硅陶覺球用作軸承球、研磨球、閥球或測量球，優(yōu)選用作軸承球。
5. —種用于制備氮化硅陶瓷材料的組合物，該組合物包含氮化硅，含 釔化合物，含鋁化合物，以及一種或多種選自含鋯化合物、含鈰化合物、 含釤化合物和含鑭化合物的化合物，按組合物的總重量計，氮化硅的含量 為85 ~ 98% (重量)；含鋁化合物的含量為0.5 ~ 6% (重量)，優(yōu)選為0.5 3.5%(重量)；含釔化合物的含量為1~5%(重量)，優(yōu)選為1 2.5%(重 量)；含鋯化合物的含量為1~5% (重量)，優(yōu)選為2 3% (重量)；含鈰 化合物的含量為0.5 ~ 2 % (重量)，優(yōu)選為0.5 ~1% (重量)；含釤化合物 的含量為0.5 ~ 2% (重量)，優(yōu)選為0.5 ~1% (重量)；含鑭化合物的含量 為0.5 2% (重量)，優(yōu)選為1 ~ 1.5% (重量)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的組合物，其特征在于，所述含釔化合物選自 釔的氧化物、釔的氫氧化物和釔的硝酸鹽中的一種或多種；所述含鋁化合 物選自鋁的氧化物、鋁的氫氧化物和鋁的硝酸鹽中的一種或多種；所述含 鋯化合物選自鋯的氧化物、鋯的氫氧化物和氧氯化鋯中的一種或多種；所 述含鈰化合物選自鈰的氧化物、鈰的氫氧化物和鈰的硝酸鹽中的 一種或多 種；所述含釤化合物選自釤的氧化物、釤的氫氧化物和釤的硝酸鹽中的一 種或多種；含鑭化合物選自鑭的氧化物、鑭的氫氧化物和鑭的硝酸鹽的——一種或多種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的組合物，其特征在于，所述組合物包含 氮化硅、釔的氧化物和鋁的氧化物，以及一種或多種選自4告的氧化物、鈰 的氧化物、釤的氧化物和鑭的氧化物的氧化物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項所述的組合物，其特征在于，所述組 合物包含SisN4、 A1203和丫203，以及一種或多種選自Zr02、 Ce203、 Sm203 和1^203的氧化物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項所述的組合物，其特征在于，按氮化 硅的總重量計，所述氮化硅中的a-Si3N4的含量大于90% (重量)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5至9中任一項所述的組合物，其特征在于，所述 氮化珪為平均粒徑為0.03 ~ 4jim,優(yōu)選為0.3 ~ 0.8|im的氮化硅斗分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高致密長壽命的氮化硅陶瓷材料以及用于制備該氮化硅陶瓷材料的組合物，該氮化硅陶瓷材料的晶相包含Si、N、Al、Y和O元素，以及一種或多種選自Zr、Ce、Sm和La的元素，按氮化硅陶瓷材料的總重量計，氮化硅的含量為85～98％(重量)；Al的含量為0.5～6％(重量)；Y的含量為1～5％(重量)；Zr的含量為1～5％(重量)；Ce的含量為0.5～2％(重量)；Sm的含量為0.5～2％(重量)；La的含量為0.5～2％(重量)。本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化了氮化硅陶瓷材料中燒結(jié)助劑的組成和含量，從而改善了氮化硅陶瓷材料的致密度、強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度等性能指標(biāo)，在相對較低生產(chǎn)成本下就可以實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。
文檔編號C04B35/584GK101538161SQ20091007728
公開日2009年9月23日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者峰 孫, 張偉儒, 騰祥紅, 茹敏超, 波 陳 申請人:北京中材人工晶體有限公司