专利名称：一种制备碳化硅颗粒增强氮化硅复相陶瓷零件的方法
技术领域：
本发明属于复合陶瓷零部件制备技术领域，特别是提供了一种用注射成形工艺制 备碳化硅颗粒增强氮化硅(SiCp/Si3N4)复相陶瓷零件的方法，实现低成本、高性能陶瓷基 复合材料零件的制备。
背景技术：
SiCp/Si3N4材料具有作为高温结构材料所需求的耐热性、耐热冲击性、耐磨性和 耐腐蚀性，而且比金属轻，满足核能、石油化工、航空航天、国防等领域的需要具有重要的意 义。陶瓷材料本身固有的脆性和高硬度，传统的粉末冶金模压法虽然工艺简单，但模压形成 的成形坯往往密度不均勻，部件的形状复杂程度也受到了一定的限制；先驱体裂解法除受 部件复杂程度限制外，还存在制备周期长、尺寸精度低等缺点；注浆成形和压滤成形虽可成 形复杂形状部件，但由于成形密度均勻性差及尺寸精度低等问题而限制了其应用范围。而 采用粉末注射成形技术时，由于注射坯体的形状接近制品的最终形状，不仅解决了 SiCp/ Si3N4材料的组织均勻性问题，同时解决了其复杂零件的难加工成形问题，实现了 SiCp/ Si3N4材料与零件一体化成形。注射成形的基本工艺过程是首先将具有特定粒度和表面形态的陶瓷粉末与有机 粘结剂混合均勻，制成喂料。以有机粘结剂为载体，使得喂料在一定的温度下具有流动性， 喂料在注射成形机上在力和热的作用下流动填充模腔成形，得到注射坯体，随后经过脱脂 和烧结得到全致密或接近全致密的产品。注射成形可自动化生产，生产过程中的管理和控 制也很方便，适宜大批量生产；制品各部位密度均勻，几何尺寸精度高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备SiCp/Si3N4复合材料零件的方法，解决了 SiCp/ Si3N4复合陶瓷零件生产过程中的组织不均勻、难加工、成本高等问题，实现了具有形状复杂 和尺寸精度高的SiCp/Si3N4复合陶瓷零件的低成本制备。本发明的制备工艺为把陶瓷粉末与粘结剂混炼均勻，随后制粒、注射成形，再将 注射生坯脱脂、烧结，制得SiCp/Si3N4复合陶瓷零件。具体工艺为1、混粉将SiC粉(粒径为0. 01 0. 1 μ m)、Si3N4粉(粒径为0. 3 1. 0 μ m)与烧 结助剂(烧结助剂由Al2O3 Y2O3组成，氧化铝Al2O3和氧化钇Y2O3质量比为4 5)置于刚玉 球磨罐中以一定转速球磨16小时，达到混合均勻。其中各粉末质量百分比为SiC Si3N4 烧结助剂=(5 20) (70 85) (5 10);2、石蜡基多组元粘结剂的配置粘结剂的成份为石蜡(PW)、高密度聚乙烯 (HDPE)、硬质酸(SA)。各组元重量百分比为PW HDPE SA= (60 70) (25 30) (5 10)。将三种组元加入恒温装置中共混，达到均勻混合；3、混炼将加入了一定量烧结助剂的氮化硅微粉与所配制的石蜡基多组元粘结剂 在开放式炼胶机上混炼1 1. 5h，混炼温度为135 150°C，再在SK2160型双螺杆混炼挤出机上制粒，使喂料进一步均勻，烧结助剂的氮化硅微粉与多组元聚合物石蜡基粘结剂粉 末(体积百分数)的比例为50 60 40 50。4、注射成形将制粒后所得喂料在CJ80E型注塑机上注射，注射温度为170 185°C，注射压力为90 llOMpa，模具温度为20 50°C，得到SiCp/Si3N4复合陶瓷预成形 坯；5、脱脂及预烧结采用溶剂脱脂+热脱脂的两步脱脂法，首先将SiCp/Si3N4复合 陶瓷预成形坯浸于三氯乙烯中进行溶剂脱脂8 12h，脱脂温度为20 50°C，脱脂完成后 取出坯体在恒温干燥箱内烘干，热脱脂在真空管式炉中进行，脱脂温度在30 600°C之间， 最后加热至1100 1200°C之间进行预烧结0. 5 lh，得到预烧结坯，整个加热过程气氛为 Ar ；6、烧结将预烧结坯置于真空烧结炉中于1800 190(TC常压烧结，保温0.5 lh，升温速率1400°C前为5 7°C /min, 1400°C后为3 5°C /min，烧结气氛为Ar，烧结体 经后续精整处理，得到SiCp/Si3N4复合陶瓷零件。本发明的优点在于可直接制备出几何形状复杂的SiCp/Si3N4复合陶瓷制品；制品组织均勻，尺寸精 度高，且无须后续加工；可实现SiCp/Si3N4材料与零件的一体化成形；建立了具有形状复杂 和尺寸精度高的SiCp/Si3N4复合陶瓷零件的低成本制备技术。
具体实施例方式实施例1 含5wt% SiC、装载量58vol%的SiCp/Si3N4复合材料零件原料各成分的质量分数为5% SiC+85% Si3N4+4. 3% Al203+5. 7% Y2O3，粘结剂采用 为多聚合物石蜡基粘结剂，各组元重量分数为65% Pff+25% HDPE+10% SA，粉末装载量为 58vol%。将粒度0. 58 μ m高纯度的氮化硅微粉、粒度0. 09 μ m碳化硅粉末、烧结助剂按比例 混合，以无水乙醇为溶剂，在刚玉球磨罐中球磨16h。然后将球磨好的陶瓷粉末与粘结剂按 陶瓷粉末体积分数为58%配制，于SK2160型开放式炼塑机上140°C混炼均勻。随后再用 PSJ32型单螺杆挤出机挤出制粒，在CJ80E型注塑机上采用注射压力为lOOMPa，注射温度 170°C，注射速度保持在系统最大值的60%，保压压力为lOOMPa，模具温度为30°C的最佳注 射参数，注射出坯体，在40°C、8h进行溶剂脱脂，然后在Ar气氛下热脱脂并于120(TC预烧 结；最后在流动Ar气氛下，在真空碳管炉在180(TC常压烧结。烧结体经后续处理，即得到 相对密度达97%，尺寸精度高达士0. 2%和综合力学性能较好的SiCp/Si3N4复合陶瓷异形 零件。实施例2 含IOwt % SiC、装载量50vol%的SiCp/Si3N4复合材料零件原料各成分的质量分数为10% SiC+80% Si3N4+4. 3% Al203+5. 7% Y2O3，粘结剂采 用为多聚合物石蜡基粘结剂，各组元重量分数为63% Pff+27% HDPE+10% SA，粉末装载量为 50vol%。将粒度0. 8 μ m高纯度氮化硅微粉、粒度0. 09 μ m的碳化硅粉末、烧结助剂按比例 混合，以无水乙醇为溶剂，在刚玉球磨罐中球磨16h。然后将球磨好的陶瓷粉末与粘结剂 按陶瓷粉末体积分数为58%配制，于SK2160型开放式炼塑机上140°C混炼均勻，随后再用PSJ32型单螺杆挤出机挤出制粒，在CJ80E型注塑机上采用注射压力为lOOMPa，注射温度 180°C，注射速度保持在系统最大值的60%，保压压力为lOOMPa，模具温度为30°C的最佳注 射参数，注射出坯体，在40°C、8h进行溶剂脱脂，然后在Ar气氛下热脱脂并于120(TC预烧 结；最后在流动Ar气氛下，在真空碳管炉在180(TC常压烧结。烧结体经后续处理，即得到 相对密度达98%，尺寸精度高达士0. 2%和综合力学性能较好的SiCp/Si3N4复合陶瓷异形 零件。实施例3 含20wt% SiC、装载量58%的SiCp/Si3N4复合材料零件原料各成分的质量分数为5% SiC+85% Si3N4+4. 3% Al203+5. 7% Y2O3，粘结剂采用 为多聚合物石蜡基粘结剂，其各组元重量百分比为PW HDPE SA = 65 25 10，粉末 装载量为58vol%。将粒度0.58 μ m高纯度α相> 93 %的氮化硅微粉、粒度0. 09 μ m碳化硅粉末、 烧结助剂按比例混合，以无水乙醇为溶剂，在刚玉球磨罐中球磨16h。然后将球磨好的陶 瓷粉末与粘结剂按陶瓷粉末体积分数为58%配制，于SK2160型开放式炼塑机上140°C混 炼均勻，随后再用PSJ32型单螺杆挤出机挤出制粒，在CJ80E型注塑机上采用注射压力为 lOOMPa，注射温度170°C，注射速度保持在系统最大值的60%，保压压力为lOOMPa，模具温 度为30°C的最佳注射参数，注射出坯体，在40°C、8h进行溶剂脱脂，然后在Ar气氛下热脱脂 并于120(TC预烧结；最后在流动Ar气氛下，在真空碳管炉在190(TC常压烧结。烧结体经后 续处理，即得到相对密度达97%，尺寸精度高达士0.2%和综合力学性能较好的SiCp/Si3N4 复合陶瓷异形零件。
权利要求
一种制备碳化硅颗粒增强氮化硅复相陶瓷零件的方法，其特征在于，制备工艺为a、混粉将SiC粉、Si3N4粉与烧结助剂置于刚玉球磨罐中以一定转速球磨14 18小时，得到混合均匀的带有烧结助剂的氮化硅微粉；其中各粉末质量分数为(5～20)％SiC+(70～85)％Si3N4+(5～10)％烧结助剂；烧结助剂由Al2O3∶Y2O3组成，质量分数为Al2O3∶Y2O3＝4∶5；b、石蜡基多组元粘结剂的配置粘结剂的成份为石蜡即PW、高密度聚乙烯即HDPE、硬质酸即SA，各组元重量百分比为PW∶HDPE∶SA＝(60～70)∶(25～30)∶(5～10)；将三种组元加入恒温装置中共混，达到成份均匀；c、混炼将加入了一定量烧结助剂的氮化硅微粉与所配制的多组元聚合物石蜡基粘结剂在开放式炼胶机上混炼1～1.5h，混炼温度为135～150℃，再在SK2160型双螺杆混炼挤出机上制粒，使喂料进一步均匀；烧结助剂的氮化硅微粉与多组元聚合物石蜡基粘结剂粉末体积百分数的比例为50～60∶40～50；d、注射成形将制粒后所得喂料在CJ80E型注塑机上注射，注射温度为170～185℃，注射压力为90～110Mpa，模具温度为20～50℃，得到SiCp/Si3N4复合陶瓷预成形坯；e、脱脂及预烧结采用溶剂脱脂+热脱脂的两步脱脂法，首先将SiCp/Si3N4复合陶瓷预成形坯浸于三氯乙烯中进行溶剂脱脂8～12h，脱脂温度为20～50℃，脱脂完成后取出坯体在恒温干燥箱内烘干，热脱脂在真空管式炉中进行，脱脂温度在30～600℃之间，最后加热至1100～1200℃之间进行预烧结0.5～1h，得到预烧结坯，整个加热过程气氛为Ar；f、烧结将预烧结坯置于真空烧结炉中于1800～1900℃常压烧结，保温0.5～1h，升温速率1400℃前为5～7℃/min，1400℃后为3～5℃/min，烧结气氛为Ar，烧结体经后续精整处理，得到SiCp/Si3N4复合陶瓷零件。
2.按照权利要求1所述的一种制备碳化硅颗粒增强氮化硅复相陶瓷零件方法，其特征 在于=Si3N4原料的粒径为0. 3 Ι.Ομπι，纯度>99% ；SiC粒径为0.01 0. 1“111，纯度> 99%。
全文摘要
一种制备碳化硅颗粒增强氮化硅复合陶瓷零件的方法，属于陶瓷零件制备技术领域。是将SiC粉末、Si3N4粉末及烧结助剂与石蜡基多组元粘结剂混合成均匀的喂料，喂料经注射成形所得的预成形坯经溶脱、热脱、1150～1200℃预烧结后，置于真空碳管炉在1800～1900℃、Ar气氛下常压烧结，制得SiCp/Si3N4复合陶瓷零件。本发明的优点是可直接制备出几何形状复杂的SiCp/Si3N4复合陶瓷制品；制品组织均匀，尺寸精度高，且无须后续加工；可实现SiCp/Si3N4材料与零件的一体化成形；建立了具有形状复杂和尺寸精度高的SiCp/Si3N4复合陶瓷零件的低成本制备技术。
文档编号C04B35/583GK101913878SQ20101023057
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者何新波, 曲选辉, 梅敏, 田常娟 申请人:北京科技大学