Si3N4 陶瓷的制備技術(shù)在過去幾年發(fā)展很快,制備工藝主要集中在反應(yīng)燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法和常壓燒結(jié)法、氣壓燒結(jié)法等類型. 由于制備工藝不同,各類型氮化硅陶瓷具有不同的微觀結(jié)構(gòu)(如孔隙度和孔隙形貌、晶粒形貌、晶間形貌以及晶間第二相含量等)。因而各項(xiàng)性能差別很大 。要得到性能優(yōu)良的Si3N4 陶瓷材料,**應(yīng)制備高質(zhì)量的Si3N4 粉末. 用不同方法制備的Si3N4 粉質(zhì)量不完全相同,這就導(dǎo)致了其在用途上的差異,許多陶瓷材料應(yīng)用的失敗,往往歸咎于**者不了解各種陶瓷粉末之間的差別,對(duì)其性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足。一般來說,高質(zhì)量的Si3N4 粉應(yīng)具有α相含量高,組成均勻,雜質(zhì)少且在陶瓷中分布均勻,粒徑小且粒度分布窄及分散性好等特性。好的Si3N4 粉中α相至少應(yīng)占90%,這是由于Si3N4 在燒結(jié)過程中,部分α相會(huì)轉(zhuǎn)變成β相,而沒有足夠的α相含量,就會(huì)降低陶瓷材料的強(qiáng)度。
反應(yīng)燒結(jié)法( RS)
是采用一般成型法,先將硅粉壓制成所需形狀的生坯,放入氮化爐經(jīng)預(yù)氮化(部分氮化)燒結(jié)處理,預(yù)氮化后的生坯已具有一定的強(qiáng)度,可以進(jìn)行各種機(jī)械加工(如車、刨、銑、鉆). 在硅熔點(diǎn)的溫度以上;將生坯再一次進(jìn)行完全氮化燒結(jié),得到尺寸變化很小的產(chǎn)品(即生坯燒結(jié)后,收縮率很小,線收縮率<; 011% ). 該產(chǎn)品一般不需研磨加工即可使用。反應(yīng)燒結(jié)法適于制造形狀復(fù)雜,尺寸準(zhǔn)確的零件,成本也低,但氮化時(shí)間很長。
熱壓燒結(jié)法( HPS)
是將Si3N4 粉末和少量添加劑(如MgO、Al2O3、MgF2、Fe2O3 等),在1916 MPa以上的壓強(qiáng)和1600 ℃以上的溫度進(jìn)行熱壓成型燒結(jié)。英國和美國的一些公司采用的熱壓燒結(jié)Si3N4 陶瓷,其強(qiáng)度高達(dá)981MPa以上。燒結(jié)時(shí)添加物和物相組成對(duì)產(chǎn)品性能有很大的影響。由于嚴(yán)格控制晶界相的組成,以及在Si3N4 陶瓷燒結(jié)后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?,所以可以獲得即使溫度高達(dá)1300 ℃時(shí)強(qiáng)度(可達(dá)490MPa以上)也不會(huì)明顯下降的Si3N4系陶瓷材料,而且抗蠕變性可提高三個(gè)數(shù)量級(jí)。若對(duì)Si3N4 陶瓷材料進(jìn)行1400———1500 ℃高溫預(yù)氧化處理,則在陶瓷材料表面上形成Si2N2O相,它能顯著提高Si3N4 陶瓷的耐氧化性和高溫強(qiáng)度。熱壓燒結(jié)法生產(chǎn)的Si3N4 陶瓷的機(jī)械性能比反應(yīng)燒結(jié)的Si3N4 要優(yōu)異,強(qiáng)度高、密度大。但制造成本高、燒結(jié)設(shè)備復(fù)雜,由于燒結(jié)體收縮大,使產(chǎn)品的尺寸精度受到一定的限制,難以制造復(fù)雜零件,只能制造形狀簡單的零件制品,工件的機(jī)械加工也較困難。
常壓燒結(jié)法( PLS)
在提高燒結(jié)氮?dú)夥諌毫Ψ矫?,利用Si3N4 分解溫度升高(通常在N2 = 1atm氣壓下,從1800℃開始分解)的性質(zhì),在1700———1800℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行常壓燒結(jié)后,再在1800———2000℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行氣壓燒結(jié)。該法目的在于采用氣壓能促進(jìn)Si3N4 陶瓷組織致密化,從而提高陶瓷的強(qiáng)度.所得產(chǎn)品的性能比熱壓燒結(jié)略低。這種方法的缺點(diǎn)與熱壓燒結(jié)相似。
氣壓燒結(jié)法( GPS)
近幾年來,人們對(duì)氣壓燒結(jié)進(jìn)行了大量的研究,獲得了很大的進(jìn)展。氣壓燒結(jié)氮化硅在1 ~10MPa氣壓下,2000℃左右溫度下進(jìn)行。高的氮?dú)鈮阂种屏说璧母邷胤纸?。由于采用高溫?zé)Y(jié),在添加較少燒結(jié)助劑情況下,也足以促進(jìn)Si3N4晶粒生長,而獲得密度>; 99%的含有原位生長的長柱狀晶粒高韌性陶瓷. 因此氣壓燒結(jié)無論在實(shí)驗(yàn)室還是在生產(chǎn)上都得到越來越大的重視. 氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷具有高韌性、高強(qiáng)度和好的耐磨性,可直接制取接近形狀的各種復(fù)雜形狀制品,從而可大幅度降低生產(chǎn)成本和加工費(fèi)用. 而且其生產(chǎn)工藝接近于硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝,適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
研究現(xiàn)狀編輯
對(duì)于Si3N4以及Sialon陶瓷燒結(jié)體,現(xiàn)已提供了一種不用形成復(fù)合材料而保持單一狀態(tài)的、利用超塑性進(jìn)行成型的工藝,并提供了一種根據(jù)該工藝成型出的燒結(jié)體。把相對(duì)密度在95%以上、線密度對(duì)于燒結(jié)體的二維橫截面上的50μm的長度在120~250范圍內(nèi)的氮化硅及Sialon燒結(jié)體;在1300~1700℃的溫度下通過拉伸或壓縮作用使其在小于10-1/秒的應(yīng)變速率下發(fā)生塑性形變從而進(jìn)行成型。成型后的燒結(jié)體在常溫下具有優(yōu)異的機(jī)械性能。
Si3N4 陶瓷是一種重要的結(jié)構(gòu)材料,它是一種超硬物質(zhì),本身具有潤滑性,并且耐磨損;除氫氟酸外,它不與其他無機(jī)酸反應(yīng),抗腐蝕能力強(qiáng),高溫時(shí)抗氧化. 而且它還能抵抗冷熱沖擊,在空氣中加熱到1,000℃以上,急劇冷卻再急劇加熱,也不會(huì)碎裂. 正是由于Si3N4 陶瓷具有如此優(yōu)異的特性,人們常常利用它來制造軸承、氣輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永 久性模具等機(jī)械構(gòu)件. 如果用耐高溫而且不易傳熱的氮化硅陶瓷來制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件的受熱面,不僅可以提高柴油機(jī)質(zhì)量,節(jié)省燃料,而且能夠提高熱效率. 中國及美國、日本等**都已研制出了這種柴油機(jī)