专利名称：采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球的方法
技术领域：
本发明属于工程陶瓷制备领域，涉及一种采用玻璃包封热等静压工艺制备 氮化硅陶瓷球的方法。
背景技术：
氮化硅材料在工程陶瓷领域有非常重要的应用，除具有工程陶瓷材料特有 的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、电绝缘、磁绝缘、高强度、高刚度、低比重、低 膨胀等一系列优良性能外，还与轴承用钢球具有相似的滚动接触疲劳破坏形 式一一剥落，可以避免其它陶瓷材料脆性断裂发生的突发性破坏，在轴承球领 域有着越来越广泛的应用。
氮化硅材料优良的综合机械性能和使用稳定性，使其在工程陶瓷领域中有 很广泛的应用。氮化硅材料是目前陶瓷球的首选材质，氮化硅陶瓷球可用作陶 瓷轴承用球、阀门球、测量用球等，在航空、航天、电子、机械等领域也有着 广泛的应用。
国内氮化硅球的批量制备采用GPS (气压烧结工艺)烧结工艺，由于氮化
硅高温下会产生分解，而且其强共价键结构造成烧结驱动力很小，需要加入一
定的烧结助剂，加入的烧结助剂在烧结后形成晶间玻璃相，成为除了气孔、裂 纹等缺陷之外材料损坏的重要原因。
采用热等静压后处理工艺可以部分消除小尺寸的裂纹、气孔等缺陷，但是 不能完全消除存在的缺陷，且对于大尺寸的裂纹和气孔无法弥补，同时对于材 料的显微结构的改善作用很小，对于氮化硅材料而言，经烧结后晶粒间互相交 叉形成骨架结构，采用热等静压后处理工艺很难发生改变，因此虽然热等静压 后处理工艺具有工艺简单、生产能力大、生产成本低等特点，但是对于生产高 性能氮化硅陶瓷具有一定的局限性。
采用包封热等静压方法可以在气体介质高温、高压的双重作用下促进氮化硅材料的烧结，具有烧结动力高、添加助剂少、烧结时间短、显微结构好、材 料性能高等优点。包封方法可以采用金属、玻璃等多种方法，在陶瓷材料的热 等静压烧结中应用较广泛的是玻璃包封方法。
玻璃包封方法一般可采用玻璃容器包封、玻璃粉末包封、玻璃液浸渍包封 等方法进行，对于量化制备采用玻璃粉末包封的方法具有工艺简便、可操作性 好的优点。
国内氮化硅陶瓷球的生产、研究主要集中在气压烧结工艺和热等静压后处 理工艺，而对于实际生产急需的热等静压烧结涉及较少。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简 便，重复性好，可量化生产的氮化硅陶瓷球的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现采用玻璃包封热等静压工艺 制备氮化硅陶瓷球的方法，其特征在于，该方法是将氮化硅配方料经成型、冷 等静压处理得到坯体，然后在该坯体表面用溶液浸渍法涂覆一层石墨隔离层，
干燥后放入坩埚内，周围埋封碎玻璃，升温至110(TC-130(TC使玻璃熔化形成完 整包封，然后加压升温到100-200MPa、 1700-l卯0。C、保温1-3小时进行热等 静压烧结，即得产品。
所述的氮化硅配方料包括以下组分和重量百分含量氮化硅90%-99%，烧 结助剂1%-10%。
所述的烧结助剂选自MgO、 Y203、 A1203、 La203、 Ce02中的一种或几种。 所述的成型是将氮化硅配方料进行干压成型。
所述的石墨隔离层的厚度为0.05mm-5mm，石墨隔离层选胶体石墨进行1-5
次浸渍制得。
所述的碎玻璃为硼硅酸盐玻璃。
本发明是采用与氮化硅材料热膨胀系数相当的玻璃进行氮化硅坯体的包 封，然后在高温、高压下进行热等静压烧结，具有工艺简便，重复性好，可量 化生产的特点，可用于制备多种尺寸的氮化硅陶瓷球。本发明制备的氮化硅球 显微结构均匀，硬度》1400kg/mm2，压痕断裂韧性》5MPa m1/2，可广泛应用在陶瓷轴承球等领域。
与现有技术相比，本发明的特点
1. 采用玻璃对氮化硅球进行包封，玻璃的热膨胀系数与氮化硅的热膨胀系 数相当，优先采用硼硅酸盐玻璃；
2. 氮化硅球表面采用溶液浸渍法涂覆一层石墨隔离层，有利于最终材料和 玻璃的脱离，操作简便，利于生产；
3. 涂有石墨层的氮化硅球放入坩埚内，周围埋封玻璃；
4. 升温使得玻璃熔化完全，完整包封氮化硅球，然后加压升温到所需工艺 参数进行热等静压烧结。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 实施例l-.
将氮化硅配方料(95%Si3N4+3wt% Y203+ 2 wt%Al203)成型为小5mm的 陶瓷球坯体，在200MPa压力下进行冷等静压处理，坯体密度达到理论密度的 60%，然后采用溶液浸渍法在表面涂覆一层胶体石墨隔离层，厚度大于0.05mm, 充分干燥后放入石墨坩埚内，周围埋封硼硅酸盐碎玻璃，然后升温到120(TC， 玻璃熔化，完整包封氮化硅球，加压升温到1850°C、 200MPa，保温保压2小 时进行热等静压烧结，烧结结束后，控制降温，取出氮化硅球。
上述工艺制备的小5mm氮化硅球显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷，显 微硬度1550kg/mm2，压痕断裂韧性7.8 MPa'm1/2，三点纯滚动接触疲劳寿命> 106循环次数。
实施例2:
将氮化硅配方料(95%Si3N4+3wt% Y203+ 2 wt%Al203)成型为小7mm的 陶瓷球，批量2kg，在200MPa下保压5分钟进行冷等静压处理，然后坯体采 用溶液浸渍法在表面涂覆一层胶体石墨隔离层，厚度大于0.05mm，充分干燥 后放入石墨坩埚内，周围埋封硼硅酸盐碎玻璃，然后升温到1200°C，玻璃熔化， 完整包封氮化硅球，加压升温到1850°C、 200MPa，保温保压2小时进行热等 静压烧结，烧结结束后，控制降温，取出氮化硅球。上述工艺批量制备的4) 7mm氮化硅球显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷， 显微硬度1550kg/mm2，压痕断裂韧性7.8 MPa'm1/2，三点纯滚动接触疲劳寿命 >106循环次数，产品合格率>99%。
实施例3:
将氮化硅配方料(92%Si3N4+5wt%Y203+ 3wt%Al203)成型为4> 16mm的 陶瓷球，在200MPa下保压5分钟进行冷等静压处理，然后采用溶液浸渍法在 表面涂覆一层胶体石墨隔离层，厚度大于0.1mm，充分干燥后放入石墨坩埚内， 周围埋封硼硅酸盐碎玻璃，然后升温到1200°C，玻璃熔化，完整包封氮化硅球， 加压升温到185(TC、 180MPa，保温保压2小时进行热等静压烧结，烧结结束 后，控制降温取出氮化硅球。
上述工艺制备的4)16mm氮化硅球显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷， 显微硬度1530kg/mm2，压痕断裂韧性7.5 MPa'm1/2。
实施例4:
将氮化硅配方料(90%Si3N4+6wt% Y203+ 4wt%Al203)成型为4> 57mm的 陶瓷球，在250MPa下保压5分钟进行冷等静压处理，然后采用溶液浸渍法在 表面涂覆一层胶体石墨隔离层，厚度大于O.lmm，充分干燥后放入石墨坩埚内， 周围埋封硼硅酸盐碎玻璃，然后升温到1200°C，玻璃熔化，完整包封氮化硅球， 加压升温到1800°C、 150MPa，保温保压2小时进行热等静压烧结，烧结结束 后，控制降温，取出氮化硅球。
上述工艺制备的4)57mm氮化硅球显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷， 显微硬度1510kg/mm2，压痕断裂韧性7.0 MPa.m1/2。
实施例5
采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球的方法，该方法是采用碎玻 璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球，具体工艺如下将氮化硅99wt%， Mg01wtn/。进行干压成型、冷等静压处理得到坯体，然后在该坯体表面用胶体石 墨采用溶液浸渍法浸渍5次涂覆一层厚度为5mm的石墨隔离层，千燥后放入 坩埚内，周围埋封硼硅酸钠碎玻璃，升温至IIO(TC使玻璃熔化形成完整包封， 然后加压升温到200MPa、 1700°C、保温1小时进行热等静压烧结，即得产品。
上述工艺制备的4)60mm氮化硅球显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷，显微硬度1400kg/mm2，压痕断裂韧性5.0 MPa'm1/2。 实施例6
采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球的方法，该方法是采用碎玻 璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球，具体工艺如下将氮化硅98wt%， La203lwt%， Ce02lwtQ/。进行干压成型、冷等静压处理得到坯体，然后在该坯体 表面用胶体石墨采用溶液浸渍法浸渍1次涂覆一层厚度为0.05mm的石墨隔离 层，干燥后放入坩埚内，周围埋封硼硅酸钾碎玻璃，升温至1300。C使玻璃熔化 形成完整包封，然后加压升温到100MPa、 1卯(TC、保温3小时进行热等静压 烧结，即得产品。
上述工艺制备的小30mm氮化硅球显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷， 显微硬度1600kg/mm2，压痕断裂韧性7.0 MPa'm1/2。
权利要求
1.采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球的方法，其特征在于，该方法是将氮化硅配方料经成型、冷等静压处理得到坯体，然后在该坯体表面用溶液浸渍法涂覆一层石墨隔离层，干燥后放入坩埚内，周围埋封碎玻璃，升温至1100℃-1300℃使玻璃熔化形成完整包封，然后加压升温到100-200MPa、1700-1900℃、保温1-3小时进行热等静压烧结，即得产品。
2. 根据权利要求1所述的采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的氮化硅配方料包括以下组分和重量百分含量氮 化硅90%-99%，烧结助剂1%-10%。
3. 根据权利要求2所述的采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的烧结助剂选自MgO、 Y203、 A1203、 La203、 Ce02 中的一种或几种。
4. 根据权利要求1所述的采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的成型是将氮化硅配方料进行干压成型。
5. 根据权利要求1所述的采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的石墨隔离层的厚度为0.05mm-5mm，石墨隔离层 选胶体石墨进行1-5次浸渍制得。
6. 根据权利要求1所述的采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球 的方法，其特征在于，所述的碎玻璃为硼硅酸盐玻璃。
全文摘要
本发明涉及采用玻璃包封热等静压工艺制备氮化硅陶瓷球的方法，该方法是将氮化硅配方料经成型、冷等静压处理得到坯体，然后在该坯体表面用溶液浸渍法涂覆一层石墨隔离层，干燥后放入坩埚内，周围埋封碎玻璃，升温至1100℃-1300℃使玻璃熔化形成完整包封，然后加压升温到100-200MPa、1700-1900℃、保温1-3小时进行热等静压烧结，即得产品。与现有技术相比，本发明具有工艺简便，重复性好，可量化生产等优点。
文档编号C04B35/584GK101613202SQ20091005516
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月21日 优先权日2009年7月21日
发明者何万保, 张培志, 莉 李 申请人:上海材料研究所