气压烧结_一种大有前途的氮化硅陶瓷制备方法.docxVIP

气压烧结——一种大有前途的氮化硅陶瓷制备方法钢Ξ肖刘曙红(株洲硬质合金厂,株洲,412000)摘要介绍了气压烧结氮化硅陶瓷的研究开发成果,论述了气压烧结的生产工艺及其显微结构与力学性能,并与传统的生产方法进行了对比。气压烧结制备的氮化硅陶瓷可形成原位增韧结构,具有高韧性、高强度和好的耐磨性。并可直接制取接近最终形状的各种复杂形状制品,从而可大幅度降低生产成本和加工费用,适用于大规模生产。关键词气压烧结氮化硅显微结构力学性能原位增韧较少烧结助剂情况下,也足以促进Si3N4晶粒生长,而获得密度99%TD的含有原位生长的长柱状晶粒高韧性陶瓷3。因此气压烧结无论在实验室,还是在生产上都得到越来越大的重视4～5。前言氮化硅陶瓷材料由于具有一系列优异的物理力学性能和化学性能而得到广泛的应用。为了克服由于Si—N键的共价特性和氮化硅在高温下分解所带来的困难,人们研究出了几种生产氮化硅陶瓷的加压处理方法,如热压和热等静压等,这些方法都能得到性能优异的氮化硅陶瓷,然而从经济的角度来看,它们都不是理想的方法。因为热压法难以生产形状复杂的制品,且热压法生产刀片,须先压成圆饼,然后用金刚石砂轮切割再经磨削,单炉产量小,成本高。热等静压生产设备投资过大,且素坯必须进行包套处理,费用昂贵。人们曾研究采用无压烧结制备氮化硅陶瓷以避免后续加工或包套的费用。如果具有足够的烧结助剂,可以通过无压烧结获得致密化。烧结助剂的作用在于促进低粘度的液相的形成,在这种情况下,氮化硅陶瓷能够在一个相对较低的温度下进行烧结而不发生分解。但烧结助剂的存在导致了晶间相的形成,从而影响材料的力学性能特别是高温性能。近几年来,人们对气压烧结进行了大量的研究,获得了很大的进展。气压烧结氮化硅在1～10MPa气压下,2000℃左右温度下进行1～5。高的氮气压抑制了氮化硅的高温分解,由于采用高温烧结。在添加1工艺简介26气压烧结氮化硅过程常常采用两步法进行。第一步:0.1～0.5MPa氮气压力,1600～1900℃;第二步:1MPa氮气或氩气压力,1850～2000℃。第一步后,原料中烧结助剂溶化,Si3N4晶粒发生重排,Α-Si3N4转化为Β-Si3N4及溶解—析出过程中部分晶粒发生长大。材料具有了一定的密度,可以95%TD,此时材料表面气孔都闭合,这是关键的环节,否则残余开气孔在第二步高气压下不能闭合,而16使材料不能致密,结果见表1;第二步高气压下,升高材料烧结温度,Si3N4通过液相的扩散过程加快,大表1气压烧结材料的性能[气孔闭合前加压(B)或气孔闭合后加压(A)]密度,抗弯强度,MPa弹性模量,GPa硬度,GPa材料3g?cm3.093.2445776323026610.715.4BA作者简介:肖钢,男,35岁,高级工程师,现从事陶瓷产品的研究开发工作。Ξ硬质合金第18卷·188·晶粒开始快速长大、小晶粒消失即所谓的奥斯特瓦尔德成熟过程,某些晶粒长大成柱状,形成原位增韧Si3N4陶瓷。率很小的情况下就已达到,在进一步加热时,各向异性晶粒长大则被相变所加速10。在气压烧结过程中,致密化、相变和晶粒长大完全不同于无压烧结和热压。在气压烧结中,相变在致密化中间阶段完成。致密化和晶粒长大的主要过程是由于奥斯瓦尔德成熟过程即细小Β-Si3N4晶粒溶解并在粗大Β-Si3N4晶粒上析出过程引起的。尽管如此,在气压烧结过程中根据细长晶粒长大机理仍能生成长径比较高的柱状晶粒。这就是说,在气压烧结过程中,各向异性晶粒长大与相变没有直接的关系,而取决于具有不同程度的晶粒之间的溶解度3增韧显微结构的形成311增韧显微结构特征气压烧结所获得的原位增韧氮化硅陶瓷的显微结构的基本特征是,在烧结过程中通过Α-Si3N4溶解,析出Β-Si3N4晶核(相变)并长大,或者细小的Β-Si3N4晶粒溶解并在较粗的Β-Si3N4晶粒上析出(长大),在Si3N4基体中生成粗大的细长针状或柱状Β-Si3N4晶粒或晶须。这些随机取向的细长晶粒在基体中紧密缠绕并连接在一起,从而构成相互联锁的网络。这种显微结构通常显示出双峰粒度分布,即基体晶粒的弱峰和增韧晶粒的强峰,原位增韧氮气硅材料的典型双峰显微结构如图1所示9,通过这种晶粒双峰分布的方法便可开发出氮化硅“原位复合材料”。差5,也就是说,各向异性长大的驱动力是Β-晶粒的尺寸差。由此可见,相变的影响是引起异常长大的晶粒成核,而不是加速晶粒的异常长大9。Α-Si3N4粉末在氮压下烧结行为的研究3表明,致密化发生在1400、1700和1900℃下的烧结过程。前两个是重排和液相烧结的溶解—析出过程。这两个过程基本上与无压烧结相同。Α-Β相变发生在第一次溶解—析出过程。该过程的主要贡献是生成Β-Si3N4晶核并使材料产生几乎完全的致密化。在1900℃的温度下发生补充致密化。该致密化过程也