[发明专利]耐磨氮化硅陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于特种材料制备领域，具体涉及一种耐磨氮化硅陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

氮化硅是一种强共价键的化合物，作为原子晶体的氮化硅，具有很高的键能，在空气中能形成氧化物保护膜。具有良好的稳定性，及良好的高温性能；被认为是世界上最硬的物质之一。能耐受多种酸碱腐蚀，还具有热震性好、热膨胀系数小、绝缘、耐磨等优点。

氮化硅作为结构材料使用，具有强度高、硬度高、耐磨性好的优点，可以作为轴承材料、机械密封材料。要进一步提高氮化硅陶瓷材料的性能，一个方法是将它与其它具有更高硬度、弹性模量及热膨胀系数的陶瓷材料混合，制备复相陶瓷材料。美国专利US5908796提出氮化硅与碳化钛复相的材料可以得到更高的硬度、韧性，具有更优秀的性能。中国专利CN1760158A进一步提出，在氮化硅-碳化钛复相材料中加入一定量的纳米碳化钛颗粒可以提高材料性能。

但是，上述氮化硅与碳化钛复相材料，都要通过热压烧结制备，材料的制备效率低，成本高，且不易得到大尺寸或复杂形状的制品。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种耐磨氮化硅陶瓷材料，材料密度可达到3.25g/cm³以上，强度大于420MPa，韧性大于5.5MPa·m^1/2，材料性能优于一般氮化硅陶瓷材料；本发明还提供其制备方法，工艺合理，可以通过无压烧结得到高致密度的材料和部件。

本发明所述的耐磨氮化硅陶瓷材料，包含以下重量份数的原料：

硅粉10-30份、添加剂粉体1-80份、a-氧化铝粉1-10份和氧化钇1-8份；

其中：添加剂粉体的颗粒在500g载荷下的维氏硬度大于20GPa，弹性模具量大于400GPa，热膨胀系数大于5×10^-6/K。

本发明在制备过程中需在氮气气氛下烧结，原料中的硅粉与氮气发生反应生产氮化硅，本发明所用添加剂粉体的颗粒在500g载荷下的维氏硬度大于20GPa，弹性模具量大于400GPa，热膨胀系数大于5×10^-6/K，该添加剂粉体分散在氮化硅基体中，硬度与弹性模量不小于氮化硅基体，不会对所得材料的性能造成不利影响；另外，添加剂粉体的热膨胀系数高于氮化硅基体，在烧结后的降温过程中，可以在基体内产生拉应力，提供一种增韧机制，使材料抗机械损伤的能力进一步提高。

添加剂粉体优选为碳化钛、碳化钨、碳化钒、碳化锆、硼化钛或硼化锆中的一种或几种，其它符合上述给出的指标要求的也可以采用。从第二相对复相材料增强增韧的效果考虑，添加剂粉体的粒度为0.1-100微米，但不宜太粗，优选为0.3-5微米。第二相太细增韧的效果不明显，太粗，则会影响材料的强度性能，也使材料的致密化变得困难。当原料粒度太大时，可以经过球磨等粉碎工艺，达到合适的粒度。

本发明在制备过程需在氮气气氛下烧结，原料中的硅粉与氮气发生如下反应，反应后体积膨胀，可以填充素坯中的气孔。

Si+N₂→Si₃N₄

另外，原料中含有Al₂O₃和Y₂O₃，a-氧化铝粉和氧化钇的重量比优选为3：4，这样的比例可以促使氧化铝和氧化钇在高温下优先生成YAG液相（Y₃Al₅O₁₂），促进材料的致密化，达到不经过热压烧结，仅领先无压烧结即得到高致密度材料的目的。氧化铝和氧化钇在高温下发生反应如下式所示：。

Al₂O₃+Y₂O₃→Y₃Al₅O₁₂(YAG)

本发明原料中优选再加入α-Si₃N₄（α-氮化硅粉），添加量为1-80份。

原料优选还包含聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯酸盐或纤维素衍生物中的一种或几种。

本发明所述的耐磨氮化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将所有组分混合，制成素坯；

（2）将所得到的素坯在氮气气氛下烧结，烧结的温度为1500℃-1900℃，氮气的压力为0.1-10MPa。