[发明专利]一种高可靠性大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅陶瓷材料的制备方法，特别涉及一种高可靠性、大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法。

背景技术

氮化硅陶瓷材料具有高强度、高刚度、比重轻、耐磨损、耐腐蚀、耐冷热冲击、自润滑免维护和电绝缘等优异的性能，是目前生产各类精密陶瓷轴承的首选材料。氮化硅陶瓷球还可以作为阀球、测量球、研磨球在航空、航天、机械、化工等领域广泛地应用。对于大尺寸氮化硅轴承球，因其性能的稳定性、可靠性及良好的力学、热学性能，在国外已被应用于风力发电机的轴承中，使得风力发电机的发电成本降低，发电功率提高，使用寿命大幅度延长。

在我国可开发的有效的陆地、海上风力资源超过10亿kW，2006年国内新增装机总容量比2005年增加165％；2007年比2006年增加158％。虽然风力发电增长迅猛，但是我国风力发电机的制造水平与国外相比还有很大的差距。目前，国产化水平较高的主要以1000kW以下的非并网小型风力发电机为主，而超过1000kW的大功率风力发电机组，特别是可并网的大功率发电机组的国产化水平还不足20％。作为最关键的传动零部件，氮化硅轴承球的国产化还一直未实现。

氮化硅轴承球的制备工艺多种多样，R·L·耶克利的发明专利“具有高疲劳寿命的氮化硅轴承球”(公开号CN1143944)，张培志的发明专利“一种大尺寸陶瓷球的制备方法”(公开号CN101125755A)都采用昂贵的热等静压(HIP)烧结工艺，并且轴承球的后期加工成本高。张宝林的发明专利“用于轴承球的塞隆陶瓷及其制备方法”(公开号CN1270944)采用气压烧结，虽然可以降低生产成本，近尺寸烧结氮化硅轴承球，但其采用较多的Y₂O₃、Al₂O₃、AlN造成氮化硅材料性能降低，硬度大于16.5GPa，而室温断裂韧性仅为5.5～6.2MPa·m^1/2，强度仅为607～756MPa，氮化硅陶瓷球在大载荷环境下使用的可靠性降低，且该发明主要制备25.4mm以下的陶瓷球，并不能用于制备大尺寸轴承球。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种可以批量化、低成本生产大尺寸氮化硅陶瓷材料，例如风力发电机用大尺寸氮化硅轴承球的方法。

用于实现本发明上述目的的技术方案如下：

一种氮化硅陶瓷材料的制备方法，其中包括以下步骤：

(1)向氮化硅微粉中加入烧结助剂，在介质中混匀制得料浆；

(2)将料浆干燥后经冷等静压成型；

(3)进行气氛压力烧结。

其中，气氛压力烧结可以是在2～10MPa，优选为6～10MPa的氮气或氩气压力下进行的；气氛压力烧结温度可以为1800～1850℃；气氛压力烧结时间可以为1.5～3小时，优选为2小时。

在上述制备方法中，气氛压力烧结后还可以包括热等静压烧结。其中，热等静压烧结可以是在180～200MPa的氮气或氩气压力下进行的；热等静压烧结温度可以为1600～1750℃；热等静压烧结时间可以为1～2小时。

上述氮化硅中α-氮化硅含量大于氮化硅总重量的90％。优选地，按氮化硅总重量计，氮化硅中氧含量小于1.6％(重量)，游离硅小于0.2％(重量)。氮化硅微粉的平均粒径为0.02～0.8μm。