专利名称：高强度碳化硅基陶瓷材料及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于高温陶瓷材料技术领域，特别涉及碳化硅基陶瓷材料及其制备工艺。
碳化硅因其比重低，高温下强度基本不下降，并且具有耐热冲击性好，耐磨性好以及优异的抗氧化、耐腐蚀等特性，已被认为是最有希望的高温热机和其它工程的候选材料。但由于碳化硅陶瓷材料比较脆，因此国内外许多科研人员都致力于提高其强度的研究，并取得一定的效果。如日本日立公司用热压烧结法制取碳化硅陶瓷材料，热压温度为2000～2300℃，其烧结体的抗弯强度达1100MN/m2。(〔日〕工业材料，1983，Vol.31，NO12，P113)。也有用加入一定含量的硅，由反应烧结法制得Si-SiC复合陶瓷材料。如欧洲专利号0045134，其烧结体的抗弯强度为450～900MN/m2。上述反应烧结法虽能得到基本致密的烧结体，但对成品的厚度有一定限制，碳化硅陶瓷材料的强度难以提高;采用热压烧结是获得致密化高强度烧结体的有效方法，但由于烧结热压温度在2000～2300℃，用于生产周期长，不易于推广。
本发明的目的是较大幅度地提高碳化硅基陶瓷材料的强度，并提供在较低的热压温度下制得高强度碳化硅基陶瓷材料的工艺。
本发明的碳化硅基陶瓷材料，用铝和碳作添加剂，并含有5～30%的碳化钨(体积百分比)。碳化硅基的陶瓷材料分为两大类，一类是将碳化硅微粉与Al、C添加剂配料后，用YG类硬质合金球化球磨，使其混入5～10%(重量百分比)的硬质合金WC，经热压烧结制得高强度碳化硅基陶瓷材料;一类是在Si-SiC材料中加入WC，再用YG类硬质合金球强化球磨后热压烧结，制得高强度碳化硅基陶瓷材料。
本发明选用C与金属Al作为添加剂，除助烧作用外，C还有利于原料中杂质SiO2的转化反应;SiO2+3C→SiC+CO↑。SiO2转化成SiC会提高表面自由能，有利于烧结。金属Al在SiC-WC陶瓷材料中与少量杂质构成粒界相，改善碳化物粒子间的结合状况，起到改变裂纹扩展方向的作用，从而提高材料强度。
WC在本发明的碳化硅基陶瓷材料中起硬质相作用，用以提高碳化硅基陶瓷材料的强度。显微结构分析表明，少量的WC在SiC基体中呈弥散状态分布，作为弥散相而起到强化作用。当WC量＜5%时(体积%)，强度提高不明显;当WC量＞30%时，碳化硅基陶瓷材料的抗氧化及热稳定性降低。
本发明在Si-SiC材料中加入WC，其配比(按体积百分比)为Si5～25%，SiC65～95%，WC5～30%，外加C1-3%(重量%)，Al微量。
本发明的碳化硅基陶瓷材料的制备工艺为，将碳化硅基配合料与YG类硬质合金球按1∶10强化球磨，采用乙醇为球磨介质，强化球磨170～180小时，然后对料浆真空干燥，过筛，获得小于0.5μ的混合粉末，在钢模中冷压成型，素坯密度为烧结体密度的40～50%，再将素坯装入石墨模在热压炉中热压烧结，以H2为保护气氛，热压温度1800～1950℃，升温速度30～60℃/分，压力为25～30MN/m2，保温15～90分钟。
实例一将SiC微粉碱洗处理，外加添加剂C粉1～3%(重量)，Al1%(重量)配料，用YG8硬质合金球与配料按10∶1的比例，以乙醇为球磨介质强化球磨170～180小时，然后真空干燥、过筛，得到小于0.5μ的混合粉末，将粉末在钢模中冷压成型，装入石墨模在热压炉中热压烧结，以H2为保护气氛，升温速度30～60℃/分，外加压力30MN/m2，升至1950℃保温60分钟。其长条试样3mm×4mm×30mm的烧结体，密度为3.38g/cm3，抗弯强度1402MN/m2，洛氏硬度＞94，热膨胀系数4.66×10-6/℃，晶粒尺寸＜2μ。
实例二SiC微粉70%，WC粉25%，Si粉5%(均为体积百分比)按总量1000克配料，外加C20克，Al10克，YG8硬质合金球10kg，将配料与硬质合金球强化球磨，以无水乙醇为球磨介质，强化球磨180小时，然后真空干燥、过筛，称取45克为1份在钢模中冷压成型，再装入石墨模热压烧结，升温速度30～60℃/分，压力30MN/m2，在温度1900℃下保温30分钟，测得烧结体(3mm×4mm×30mm试样)抗弯强度1119MN/m2，洛氏硬度为94，热膨胀系数为4.67×10-6/℃，密度6.44克/cm3。
本发明的碳化硅基陶瓷材料具有较高的抗弯强度、硬度和较好的抗热震性，利用本发明提供的制备工艺，可在较低的热压温度下制得高强度的碳化硅基陶瓷材料。该碳化硅基陶瓷材料可用于工模具材料，也可用于发动机零件等高温结构零件，具有广泛的应用前景。
权利要求
1.碳化硅基陶瓷材料，用铝和碳作为添加剂，其特征在于该碳化硅陶瓷材料含有5～30%的碳化钨(体积百分比)。
2.碳化硅基陶瓷材料的热压制备工艺，其特征在于碳化硅基配合料用YG类硬质合金强化球磨，获得小于0.5μ的混合粉末。
3.根据权利要求1所述的碳化硅基陶瓷材料，其特征在于碳化硅基陶瓷材料的配比(体积百分比)为SiC65～95%，Si5～25%，WC5～30%，外加C1～3%(重量)，Al微量。
4.根据权利要求2所述的碳化硅基陶瓷材料的热压制备工艺，其特征在于碳化硅基配合料与YG类硬质合金按1∶10强化球磨，采用乙醇为球磨介质，强化球磨170～180小时。
5.根据权利要求2所述的碳化硅基陶瓷材料热压制备工艺，其特征在于该碳化硅基陶瓷材料的热压温度1800～1950℃，压力25～30MN/m2，升温速度30～60℃/分，保温15～90分钟。
全文摘要
本发明的碳化硅基陶瓷材料，用铝和碳作为添加剂，加入5-30％的碳化钨，用YG类硬质合金球强化球磨，获得小于0.5μ的混合粉末，在钢模中冷压成型后将素坯放在热压炉中烧结，其热压温度1800-1950℃，升温速度30-60℃/分，压力25-30MN/m
文档编号C04B35/56GK1044644SQ8910522
公开日1990年8月15日 申请日期1989年1月30日 优先权日1989年1月30日
发明者张炳荣, 杨熙珍, 潘敏元, 尹维英 申请人:山东工业大学